JP6738321B2 - How to provide a borehole - Google Patents
How to provide a borehole Download PDFInfo
- Publication number
- JP6738321B2 JP6738321B2 JP2017512106A JP2017512106A JP6738321B2 JP 6738321 B2 JP6738321 B2 JP 6738321B2 JP 2017512106 A JP2017512106 A JP 2017512106A JP 2017512106 A JP2017512106 A JP 2017512106A JP 6738321 B2 JP6738321 B2 JP 6738321B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- borehole
- drill head
- substance
- phase
- heat output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 13
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 claims description 12
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 12
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 10
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 8
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 7
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 7
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009527 percussion Methods 0.000 description 2
- 238000004616 Pyrometry Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004017 vitrification Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
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
- 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
- E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
-
- 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
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/06—Measuring temperature or pressure
- E21B47/07—Temperature
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Description
本発明は、ボアホールを、具体的には地殻に設ける方法に関する。 The present invention relates to a method for providing a borehole, specifically in the crust.
機械式の掘削法は、現在では石油源および天然ガス源の開発のために従来から用いられている。前記機械式の掘削法はボアホールから岩を除去するために回転ビットを利用する。回転方法に加えて、パーカッションドリルビットまたは回転パーカッションドリルビットもある。ドリルビットは機械式または流体力学式に駆動される。通常、各セクションに一緒にネジ留めされるかまたは挿入されるリンク機構が、岩物質を除去するために機械的エネルギーをビットに伝達する。このプロセスには冷却が必要とされる。冷却は、大部分が水から構成される掘削流体によって行われる。冷却に加えて、流体は、除去されたドリルカッティングをボアホールの底部から上方向に輸送するためにも使用される。しかし、前記冷却および除去法は高温によって制限され、これは、具体的には、２０００ｍを超える深さでよく見られる。ここで、温度は、掘削流体が有効な冷却を行うことができないほどに高い。これが、２０００ｍを超える深さで掘削を行うのが難しい理由の一つである。ある一定の温度を超えると、冷却流体は沸騰し始めるため、十分な熱または岩を排出することができなくなる。到達できる深さも、それぞれのボアホールの岩のそれぞれの地質条件によって制限される。掘削流体の沸点は様々な添加物によって上昇させることができ、さらに高い温度でもその機能を可能にするが、こうした調節の可能性には技術的な限界がある。 Mechanical drilling methods are now traditionally used for the development of oil and natural gas sources. The mechanical drilling method utilizes a rotating bit to remove rock from the borehole. In addition to the rotation method, there are also percussion drill bits or rotary percussion drill bits. The drill bit is mechanically or hydrodynamically driven. Linkages, which are typically screwed or inserted together in each section, transfer mechanical energy to the bit to remove rock material. Cooling is required for this process. Cooling is provided by the drilling fluid, which consists mostly of water. In addition to cooling, the fluid is also used to transport the removed drill cuttings upward from the bottom of the borehole. However, the cooling and removal processes are limited by high temperatures, which is particularly common at depths above 2000 m. Here, the temperature is so high that the drilling fluid cannot provide effective cooling. This is one of the reasons why it is difficult to excavate at a depth exceeding 2000 m. Above a certain temperature, the cooling fluid will begin to boil and will not be able to exhaust sufficient heat or rock. The reachable depth is also limited by the different geological conditions of each borehole rock. The boiling point of the drilling fluid can be raised by various additives, allowing its function even at higher temperatures, but the possibilities for such regulation are technically limited.
特許文献１は、空所の前面の岩が熱によって溶融される、岩に空所を設ける方法を開示する。液化された岩は空所からガス状媒体を用いて除去される。岩を溶融させるために必要な熱は、空洞の先頭に配置されるプラズマ発生器によって供給される。ボアホール内が高温でもその方法には有意な不利点は生じない。 Patent Document 1 discloses a method of forming a void in a rock in which the rock in front of the void is melted by heat. Liquefied rock is removed from the void using a gaseous medium. The heat required to melt the rock is supplied by the plasma generator located at the beginning of the cavity. High temperatures in the borehole do not present a significant disadvantage to the method.
しかし、液化された岩はドリルヘッドを越えてボアホールの開口部に運ばなければならないので、その取り扱いはプラズマ掘削の場合は課題である。液化された岩はドリルヘッド上に沈殿する（凝縮する）恐れがある。これはドリルヘッドの破壊につながり、そのことからコストが高くなり、ダウンタイムが生じる恐れがある。現在まで、この課題は、ボアホールの底部における流体の高さを可能な限り低くなるように維持することによって取り組まれてきた。そのためにプラズマ発生器の出力を低下させる。これは、送り速度が広範囲にわたって熱出力に対して線形であるので必然的に掘削の進行を遅らせる。この点で、プラズマ掘削は、費用対効果の面で現在ではめったに利用されない。 However, the handling of liquefied rock is a challenge for plasma drilling, as it must be carried over the drill head to the borehole opening. Liquefied rock can settle (condense) on the drill head. This leads to breakage of the drill head, which can result in high costs and downtime. To date, this challenge has been addressed by keeping the fluid height at the bottom of the borehole as low as possible. Therefore, the output of the plasma generator is reduced. This inevitably slows down the excavation as the feed rate is linear with respect to heat output over a wide range. In this regard, plasma drilling is currently rarely used in terms of cost effectiveness.
本発明は、具体的には前進が速いことおよび耐久性が高いことを特徴とする、ボアホールを構築する改善された方法を提供するという課題を解決することを目的とする。 The present invention aims to solve the problem of providing an improved method of constructing a borehole, which is characterized in particular by fast advancement and high durability.
前記課題は、リンク機構上でボアホール内に保持されるドリルヘッドによって、ボアホールを具体的には地殻に構築する方法であって、ドリルヘッドは、ボアホールの底部の物質、具体的には岩が、相変化によって固相から解放されるようにする熱的装置を備え、その解放された物質は、ボアホールの開口部の方向に、具体的には地表に運び去られる、方法によって解決される。本発明によれば、その熱的装置は、高い熱出力を発生させるように動作し、物質は大部分が、その高い熱出力によって、固相から転移するときに昇華する。 The problem is a method of constructing a borehole, specifically in the crust, by a drill head held in a borehole on a link mechanism, the drillhead comprising a material at the bottom of the borehole, specifically a rock, A thermal device is provided that allows the phase change to release it from the solid phase, the released material being carried away in the direction of the opening of the borehole, in particular to the surface. According to the invention, the thermal device operates to produce a high heat output, the substance being largely sublimated when it is transferred from the solid phase due to the high heat output.
本発明の中核は、具体的には、熱的掘削方法における昇華により、物質は液相には全く転移しないという事実にある。実際に昇華によって前記相はスキップされる。その結果、液体物質がドリルヘッド上に沈殿するというリスクは限りなく低下する。液体の岩がドリルヘッド上に飛び散り、そこに沈殿するというリスクも低下する。上記に記載した従来技術によるプラズマ掘削とは異なり、本発明によれば入力される出力はそれに従って低下することはないが、むしろその代わりに、液体物質の形成を防止するために上昇する。物質への熱出力を増大させると溶融深さが１ｃｍ未満まで低減し、そうなると、ボアホールの底部にある液体物質の割合が有意に低下することになり、これは、下にある物質層に対する昇華の短期間の冷却効果によるものである。熱出力を増大させることによって、可能な送り速度は同時に上昇する。 The core of the invention lies in particular in the fact that the substance does not transform into the liquid phase at all due to sublimation in the thermal drilling method. Sublimation actually causes the phase to be skipped. As a result, the risk of liquid substances settling on the drill head is infinitely reduced. The risk of liquid rocks splashing on the drill head and settling there is also reduced. Unlike the prior art plasma drilling described above, the power input according to the invention does not drop accordingly, but instead rises to prevent the formation of liquid substances. Increasing the heat output to the material reduces the melting depth to less than 1 cm, which results in a significant reduction in the proportion of liquid material at the bottom of the borehole, which is due to the sublimation of the underlying material layer. This is due to the short-term cooling effect. By increasing the heat output, the possible feed rates increase at the same time.
さらに、物質の昇華により物質の迅速な除去が可能になる。トーチまたは個々の事例では冷却ノズルによって制御されたすぐ後に、物質は再昇華して小さい粒子になり、小さい粒子は簡単に押し流すことができる。液相を介して転移する方法とは異なり、再昇華中に生み出される粒子は濃縮によって生み出される粒子より有意に小さい。 Furthermore, sublimation of the material allows for rapid removal of the material. Shortly after being controlled by the torch or in each case a cooling nozzle, the material resublimes into small particles, which can easily be swept away. Unlike the method of transitioning through the liquid phase, the particles produced during resublimation are significantly smaller than those produced by concentration.
いわゆるプラズマトーチが具体的には熱的装置として使用され、そのため、「トーチ（独：Brenner、英：torch）」という表現はこの文脈では不正確に使用されることがある。本方法は、装置が発生させる高い温度に左右されるが、このことは必ずしも燃焼または酸化によって実現する必要はない。必要な熱出力を供給できる場合は、レーザなどの光学装置も一般に考えられる。 The so-called plasma torch is used specifically as a thermal device, so that the expression "torch" may be used inaccurately in this context. The method is subject to the high temperatures generated by the device, which need not necessarily be achieved by combustion or oxidation. Optical devices such as lasers are also generally considered, provided that they can provide the required heat output.
昇華によって固相から解放された物質の少なくとも５０重量％、好ましくは、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％または少なくとも９５重量％が気相に転移する。解放された物質の残りが気相に転移するとすれば、それはまず溶融してから、ようやくのことである。昇華された物質の割合が高いと急な体積の膨張も引き起こされ、そうなると、液体成分があればそれがボアホールの底部の固体表面から除去される。この点で、物質が昇華によってのみ固相から解放されることが必ずしも必要とされるものではない。 At least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, at least 90% by weight or at least 95% by weight of the substance released from the solid phase by sublimation transforms into the gas phase. If the rest of the liberated material transforms into the gas phase, it is first melted and then finally. The high proportion of sublimed material also causes a sudden volume expansion, which removes any liquid components from the solid surface at the bottom of the borehole. In this respect, it is not necessary that the material be released from the solid phase only by sublimation.
プラズマジェットによる岩の従来の表面処理では、例えば独国特許第１９ ４３ ０５８（Ｃ３）号に記載されるように、やはり岩が散発的に昇華されるが、提示した課題を解決するために岩の大部分が溶融するのではなく昇華するような出力レベルに意図的に導かれる熱的掘削ツールは、これまで説明されなかった。 In the conventional surface treatment of rocks with a plasma jet, the rocks are also sporadically sublimated, as described, for example, in DE 19 43 058 (C3), but in order to solve the problems presented Thermal drilling tools that have been deliberately directed to power levels such that most of them sublime rather than melt have not been described so far.
本発明によれば、２〜１０ｍｍ／ｓの送り速度を実現することができる。最適な動作条件下では、プラズマ掘削は、機械式の掘削法と比べてより長い耐用年数の可能性も有する。 According to the present invention, a feed rate of 2 to 10 mm/s can be realized. Under optimal operating conditions, plasma drilling also has the potential of a longer service life compared to mechanical drilling methods.
具体的にはボアホールの底部における、開放される物質の相状態は、好ましくは、ドリルヘッドに取り付けられる少なくとも１つのセンサによってモニタリングされる。このように、全出力のうちの液体物質の割合は、必要に応じて判定および測定、開始することができる。そのために、ボアホールの底部における掘削物質の相状態は、ドリルヘッドに取り付けられるセンサによって最適にモニタリングされる。全出力のうちの液相の割合はこのように絶えず判定することができる。センサは、具体的には、高温測定に基づいており、ボアホールの底部とボアホールの側壁との間の解放された物質の温度差を判定するように働く。本発明による方法は固相と液相との間の温度差を利用する。液相の割合は、液相の一瞬の圧力に関連して数学的方法を用いて、メニスカスの特徴から判定することができる。 The phase state of the released material, in particular at the bottom of the borehole, is preferably monitored by at least one sensor mounted on the drill head. In this way, the proportion of the liquid substance in the total output can be determined, measured, and started as needed. To that end, the phase state of the drilling material at the bottom of the borehole is optimally monitored by a sensor mounted on the drill head. The proportion of the liquid phase in the total power can thus be determined constantly. The sensor is specifically based on pyrometry and serves to determine the temperature difference of the released material between the bottom of the borehole and the sidewalls of the borehole. The method according to the invention makes use of the temperature difference between the solid and liquid phases. The proportion of liquid phase can be determined from the characteristics of the meniscus using mathematical methods in relation to the instantaneous pressure of the liquid phase.
ボアホールの底部のある量の液化物質は、好ましくは、熱出力を調整することによって規定の公称値になるように調整され、その熱出力はその量の液化物質の減少のために増大される。このような調整は、解放された物質の液体の割合が確実に大きくなりすぎないようにすることができる。液体の割合を低下させることによって、送り速度を低下させることもなく、ボアホールを詰まらせるリスクが低くなるように維持される。 A quantity of liquefied material at the bottom of the borehole is preferably adjusted to a specified nominal value by adjusting the heat output, which heat output is increased due to the decrease of the quantity of liquefied material. Such adjustment can ensure that the liquid fraction of the released material does not become too large. By reducing the liquid proportion, the risk of clogging the borehole is kept low without reducing the feed rate.
深さ１０００ｍ超の深いボアホールには特別な条件がある。そこにある岩は、具体的には、以下のパラメータのうちの１つまたは複数を有する。
密度：１３００〜４０００ｋｇ／ｍ３
熱伝導率：２〜５Ｗ／ｍＫ
比熱容量：６００〜２０００Ｊ／ｋｇＫ
融点：６００〜２０００℃
沸騰温度：２８００〜４０００Ｋ
蒸発熱：２ＭＪ／ｋｇ
There are special conditions for deep boreholes with a depth of over 1000 m. The rocks there have in particular one or more of the following parameters:
Density: 1300 to 4000 kg/m3
Thermal conductivity: 2-5 W/mK
Specific heat capacity: 600-2000J/kgK
Melting point: 600-2000°C
Boiling temperature: 2800-4000K
Evaporation heat: 2MJ/kg
ボアホールは、具体的には、以下のパラメータを示す。
地表からボアホールの底部までの距離（ボアホールの深さ）：少なくとも１０００ｍ、具体的には、少なくとも２０００ｍまたは少なくとも４０００ｍ
ボアホールの直径：２〜３０ｃｍ、具体的には、２０ｃｍ未満
Specifically, the borehole has the following parameters.
Distance from the surface to the bottom of the borehole (depth of the borehole): at least 1000 m, specifically at least 2000 m or at least 4000 m
Borehole diameter: 2-30 cm, specifically less than 20 cm
本明細書に記載する方法は、具体的には、縦横比（ボアホールの深さと直径の比）が高く、少なくとも１０００：１、具体的には、少なくとも３０００：１もしくは少なくとも１００００：１であるか、または非常に深いボアホールの場合は、少なくとも２００００：１もしくは少なくとも１０００００：１であるボアホールを生み出すのに適している。 The method described herein specifically has a high aspect ratio (ratio of borehole depth to diameter) of at least 1000:1, specifically at least 3000:1 or at least 10,000:1. , Or in the case of very deep boreholes, it is suitable to produce boreholes that are at least 20000:1 or at least 100000:1.
熱的装置の出力、すなわち、本方法で生じる熱出力は、少なくとも８０ｋＷ、好ましくは、少なくとも１０００ｋＷである。 The power output of the thermal device, ie the heat output produced by the method, is at least 80 kW, preferably at least 1000 kW.
熱的装置としてプラズマ発生装置が選択される場合、ドリルヘッド上で放射されるプラズマビームの温度は、必要な範囲で昇華を引き起こすために、２０００Ｋ、好ましくは、少なくとも５０００Ｋに等しくすべきである。以下のガスを使用することができる。窒素、アセトン、酸素、水素、ヘリウム、アルゴンおよび二酸化炭素。出力密度は、好ましくは、少なくとも１０７Ｗ／ｍ２、好ましくは、５×１０７Ｗ／ｍ２に等しい。出力密度は、岩の表面に熱的装置によって加えられる、単位面積当たりの熱出力とみなされる。 If a plasma generator is chosen as the thermal device, the temperature of the plasma beam emitted on the drill head should be equal to 2000K, preferably at least 5000K, in order to cause sublimation in the required range. The following gases can be used: Nitrogen, acetone, oxygen, hydrogen, helium, argon and carbon dioxide. The power density is preferably at least equal to 10 7 W/m 2 , preferably 5×10 7 W/m 2 . Power density is considered as the heat output per unit area applied to the rock surface by thermal devices.
そのために、表面、具体的には地表に向かって、除去された物質を運ぶために、好ましくは、ガス流が使用される。これは、プラズマジェットのためにも使用されるのと同じガスとすることができる。次いで、物質は、ドリルヘッドの側部を越えて、具体的にはドリルヘッドとボアホールとの間の隙間を通して、案内される。 To that end, a gas stream is preferably used to carry the removed material towards the surface, in particular towards the surface of the earth. This can be the same gas also used for the plasma jet. The material is then guided over the sides of the drill head, specifically through the gap between the drill head and the borehole.
昇華された物質は、好ましくは、プラズマジェットから分かれた冷却ガス流によって冷却される。これは、好ましくは、昇華された岩とドリルヘッドとの間にガスクッションを形成する。具体的には、前記冷却ガス流またはガスクッションにより、第一に、昇華された物質が確実にドリルヘッドと接触しない。第二に、再昇華が起こり、その結果、最も小さい粒子の、一種のダストの収集または形成が起こるように、昇華された物質の冷却を行うことができる。そのときに、前記ダスト物質は隙間を通して上方向に運ばれる。再昇華は、物質がそこに堆積し、ボアホールのガラス化を引き起こすように、ボアホールの壁上で直接的に起こることもできる。 The sublimed material is preferably cooled by a cooling gas stream separated from the plasma jet. This preferably forms a gas cushion between the sublimed rock and the drill head. Specifically, the cooling gas flow or gas cushion firstly ensures that the sublimed material does not contact the drill head. Secondly, cooling of the sublimed material can be carried out so that resublimation occurs, resulting in the collection or formation of a kind of dust of the smallest particles. At that time, the dust material is carried upward through the gap. Resublimation can also occur directly on the walls of the borehole so that the material deposits there causing vitrification of the borehole.
冷却ガス流は、好ましくは、横方向にドリルヘッドとボアホールとの間の隙間に吹き込まれる。したがってガス状の物質は、ドリルヘッドと接触することが防止され、その上で凝縮および凝固または再昇華することが防止される。 The cooling gas stream is preferably blown laterally into the gap between the drill head and the borehole. The gaseous substance is thus prevented from coming into contact with the drill head and on its condensation and solidification or resublimation.
本発明はさらに、ボアホールを具体的には地殻に構築するための装置に関する。装置は、ドリルヘッドと、ボアホール内でドリルヘッドを保持するリンク機構と、ボアホールの底部の物質が相変化によって固相から解放されるようにする、ドリルヘッドに配置される熱的装置とを備える。本発明によれば、装置はさらに、具体的にはドリルヘッドに取り付けられるセンサを備え、具体的にはボアホールの底部で、解放された物質（独：geloesten Materials、英：loosened material）の相状態を、そのセンサによってモニタリングすることができる。フォトオプティカルセンサ、具体的には高温計を、センサとして使用することができる。上で説明した熱出力の調整は、このような装置によって実施することができる。 The invention further relates to a device for constructing a borehole, in particular in the crust. The apparatus comprises a drill head, a linkage that holds the drill head within the borehole, and a thermal device located on the drillhead that causes the material at the bottom of the borehole to be released from the solid phase by a phase change. .. According to the invention, the device further comprises a sensor, in particular attached to the drill head, in particular at the bottom of the borehole, the phase state of the released substance (geloesten Materials, UK: loosened material). Can be monitored by the sensor. A photo-optical sensor, in particular a pyrometer, can be used as the sensor. The adjustment of the heat output described above can be performed by such a device.
図面に基づいて本発明を以下にさらに詳細に説明する。 The invention is explained in more detail below on the basis of the drawings.
図１は地表７から地殻３に設けられるボアホール１を示す。ボアホールの深さＴ（＝地表７からボアホール１の底部２までの距離）は約４０００ｍに等しい。ボアホールは、さらなる深さに貫入できるように拡張される予定にある。前記目的のためにドリルヘッド４が設けられる。そのドリルヘッド４はリンク機構５によって保持され、地表７からボアホール７中に、ボアホール７に対して同軸に延在する。プラズマジェット８を発生させるプラズマ発生装置６が、ドリルヘッド４の内側に配置される。温度が２０００Ｋ以上のプラズマジェット８によって、ボアホール１の底部２の岩３が固相から解放され、したがって、取り除かれる。
FIG. 1 shows a borehole 1 provided from the surface 7 to the crust 3. The depth T of the borehole (=the distance from the ground surface 7 to the
プラズマ発生装置の基本的な構造は、このタイプの既知の装置に相当し、中央の内部アノード１０と、アノード１０に対して同軸に配置される環状のカソード９とを備える。窒素、酸素、水素、アルゴン、ヘリウムまたは二酸化炭素など、プラズマを形成するのに適したガスが、供給ライン１を介してカソード９とアノード１０との間の領域に高圧で吹かれる。それに応じて高い圧力を加えると、アノード１０およびカソード９の機構は電気アークを発生させ、それによって、プラズマまたはプラズマジェット８が生み出される。その結果、ガスは、岩の除去に必要な２５００Ｋ超まで温度上昇を受ける。
The basic structure of the plasma generator corresponds to a known device of this type, with a central
したがって、プラズマジェット８は、大部分が岩を昇華させ、岩を最初に溶融させることのない、出力レベルまで導かれる。したがって、液体の岩は、ボアホール１の底部２に集まることが広範囲で防止される。液体の岩はドリルヘッド上で簡単に硬化し、その結果ドリルヘッドを損傷させる恐れがあるので、避けるべきである。さらに、液体の岩は、ドリルヘッドとボアホールとの間の環状の隙間に集まって、そこで閉塞を引き起こす恐れがある。
Therefore, the plasma jet 8 is guided to a power level which largely sublimes the rock and does not first melt it. Therefore, liquid rock is prevented from gathering on the
解放されたガス状の岩は、可能な限り速やかに固相に戻り、可能な限り微細な粒状になるように昇華および凝固させることを確実にしなければならない。そのために、ドリルヘッド４内にシェルチャネル１２が形成され、そのシェルチャネル１２はプラズマ発生装置６の周りで環状になるように配置される。供給ライン１１から始まるのと同じように、冷却ガス流１５が前記シェルチャネル１２を通って高速で流れる。前記ガスは、面（独：Stirnseite、英：face）１７の近くで、すなわち、ドリルヘッドの下向きの尖った領域で、シェルチャネル１２から出て、昇華された岩を伴うプラズマガス１３とドリルヘッド４との間に一種のガスクッション１６が形成されるのを確実にする。前記ガスクッション１６は、岩がガス状の形態で存在する場合に必要とされ、岩がガス状の形態は線で示され参照符号１３で区別される。さらに、前記ガスクッション１６により、ガス状の岩の急速な冷却が起こり、そうなることで、ガス状の岩が再昇華し、したがって、固体のダスト状の形態を取る。図にはこれを、参照符号１４により区別される点線で示す。次に、地表７の方向では、冷却ガス流１５と混合され、再昇華された岩と一緒に冷却ガス流１５およびプラズマガス流１４が共に排出される。
It must be ensured that the liberated gaseous rock returns to the solid phase as quickly as possible and sublimates and solidifies into the finest possible granules. To that end, a
ボアホールの底部２にある液体の高さの判定は図２に基づいて説明する。高温計１７が、ドリルヘッド４の領域でボアホール１上の温度分布を測定する。ボアホール１の縁部などの固体成分は、液体成分、すなわち、液化された岩１８より温度が低く、液体成分はガス状成分より温度が低い。メニスカスの形状、すなわち、ボアホール１の底部２の液面の曲率は、これに基づいて判定することができる。
The determination of the height of the liquid on the
メニスカスの形状は、ボアホールの底部の液体の高さに関係する。図２ａは外側領域が急こう配のメニスカスを示し、これは、液体の高さが低いことを示す。図２ｂは外側領域が平坦なメニスカスを示し、これは液体の高さがより高いことを示す。メニスカスの形状と液体の高さとの相関関係は数学モデルによって作られる。 The shape of the meniscus is related to the height of the liquid at the bottom of the borehole. FIG. 2a shows a meniscus with a steep gradient in the outer region, which indicates a low liquid height. Figure 2b shows a meniscus with a flat outer region, which indicates a higher liquid height. The correlation between meniscus shape and liquid height is made by a mathematical model.
１ ボアホール
２ ボアホールの底部
３ 岩／地殻
４ ドリルヘッド
５ リンク機構
６ プラズマ発生装置
７ 地表
８ プラズマジェット
９ カソード
１０ アノード
１１ 供給ライン
１２ シェルチャネル
１３ 昇華された岩を含むプラズマガス流
１４ 再昇華された岩を含むプラズマガス流
１５ 冷却ガス流
１６ ガスクッション
１７ 高温計
１８ 液体の層
Ｔ ボアホールの深さ
1
Claims (4)
前記ドリルヘッド（４）は、前記ボアホール（１）の底部（２）の物質が相変化によって固相から解放されるようにする熱的装置（６）を備え、前記解放された物質は、ガス流を使用することによって前記ボアホール（１）の開口部の方向に、具体的には、地表（７）に運び去られる、方法において、
前記熱的装置（６）は１０００ｋＷ超の熱出力を発生させるように動作し、前記物質の約８０〜９０質量％またはそれ以上が、前記熱出力によって、前記固相から転移するときに昇華し、
前記ボアホール（１）の前記底部（２）における、前記解放された物質の相状態は、前記ドリルヘッド（４）に取り付けられるセンサによってモニタリングされ、
前記センサは、前記ドリルヘッド（４）の領域で前記ボアホール（１）上の固相と液相の温度を測定する高温計（１７）であって、前記固相と前記液相との間の温度差が前記ボアホール（１）の前記底部（２）にある液化物質の高さを判定するための前記液化物質の液面の曲率の判定に用いられる、高温計（１７）であり、
前記ボアホール（１）の前記底部（２）のある量の前記液化物質は、前記液化物質の高さの前記判定に基づいて、前記熱出力を調整することによって規定の公称値になるように調整され、前記熱出力は、前記調整において前記量の液化物質の減少のために増大され、
前記ガス流は、冷却ガス流（１５）であり、
昇華された物質（１３）は、前記冷却ガス流（１５）によって冷却されることにより、再昇華し、微細な粒子のダスト形態になることを特徴とする方法。 A method of providing the borehole (1) specifically on the crust (3) by a drill head (4) held in the borehole (1) by a link mechanism (5),
The drill head (4) comprises a thermal device (6) that allows the substance at the bottom (2) of the borehole (1) to be released from the solid phase by a phase change, the released substance being a gas. In a method, which is carried away in the direction of the opening of the borehole (1) by using a stream, specifically to the surface (7),
The thermal device (6) operates to generate a heat output of greater than 1000 kW, and about 80-90% by weight or more of the material sublimes when it is transferred from the solid phase by the heat output. ,
The phase state of the released material at the bottom (2) of the borehole (1) is monitored by a sensor attached to the drill head (4),
The sensor is a pyrometer (17) for measuring the temperature of the solid phase and the liquid phase on the borehole (1) in the area of the drill head (4), between the solid phase and the liquid phase. A pyrometer (17) used for determining the curvature of the liquid surface of the liquefied material for determining the height of the liquefied material at the bottom (2) of the borehole (1),
An amount of the liquefied substance at the bottom (2) of the borehole (1) is adjusted to a specified nominal value by adjusting the heat output based on the determination of the height of the liquefied substance. The heat output is increased due to the reduction of the amount of liquefied material in the regulation,
The gas stream is a cooling gas stream (15),
The sublimed substance (13) is re-sublimated by being cooled by the cooling gas flow (15) to be in the form of fine particles of dust.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102014106843.2 | 2014-05-15 | ||
| DE102014106843.2A DE102014106843B4 (en) | 2014-05-15 | 2014-05-15 | Method of drilling a borehole |
| PCT/EP2015/059707 WO2015173049A2 (en) | 2014-05-15 | 2015-05-04 | Method for introducing a borehole |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017516006A JP2017516006A (en) | 2017-06-15 |
| JP6738321B2 true JP6738321B2 (en) | 2020-08-12 |
Family
ID=53189017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017512106A Expired - Fee Related JP6738321B2 (en) | 2014-05-15 | 2015-05-04 | How to provide a borehole |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170138129A1 (en) |
| JP (1) | JP6738321B2 (en) |
| BR (1) | BR112016026505B1 (en) |
| CA (1) | CA2948698C (en) |
| DE (1) | DE102014106843B4 (en) |
| MX (1) | MX2016014786A (en) |
| NZ (1) | NZ727558A (en) |
| WO (1) | WO2015173049A2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10370903B2 (en) | 2016-01-20 | 2019-08-06 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Electrical pulse drill bit having spiral electrodes |
| JP7107736B2 (en) * | 2018-05-14 | 2022-07-27 | 大成建設株式会社 | Crushing device and crushing method |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB761709A (en) * | 1954-07-21 | 1956-11-21 | Joseph Zionson Dalinda | Improvements in or relating to a method and machine for disintegrating a lithologic formation |
| US3493050A (en) * | 1967-01-30 | 1970-02-03 | Kork Kelley | Method and apparatus for removing water and the like from gas wells |
| US3467206A (en) * | 1967-07-07 | 1969-09-16 | Gulf Research Development Co | Plasma drilling |
| US3443639A (en) * | 1967-11-24 | 1969-05-13 | Shell Oil Co | Method for consolidating an unconsolidated sand with a plasma jet stream |
| US3556600A (en) | 1968-08-30 | 1971-01-19 | Westinghouse Electric Corp | Distribution and cutting of rocks,glass and the like |
| US3818174A (en) * | 1972-11-09 | 1974-06-18 | Technology Applic Services Cor | Long arc column forming plasma generator |
| US3998281A (en) * | 1974-11-10 | 1976-12-21 | Salisbury Winfield W | Earth boring method employing high powered laser and alternate fluid pulses |
| US4067390A (en) * | 1976-07-06 | 1978-01-10 | Technology Application Services Corporation | Apparatus and method for the recovery of fuel products from subterranean deposits of carbonaceous matter using a plasma arc |
| US4090572A (en) * | 1976-09-03 | 1978-05-23 | Nygaard-Welch-Rushing Partnership | Method and apparatus for laser treatment of geological formations |
| CH643324A5 (en) * | 1981-07-27 | 1984-05-30 | Daniel Vuille | Drilling head |
| US6870128B2 (en) * | 2002-06-10 | 2005-03-22 | Japan Drilling Co., Ltd. | Laser boring method and system |
| DE102004041273A1 (en) * | 2004-08-23 | 2006-03-02 | Alstom Technology Ltd | drilling |
| US9416594B2 (en) * | 2004-11-17 | 2016-08-16 | Schlumberger Technology Corporation | System and method for drilling a borehole |
| US20070267220A1 (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-22 | Northrop Grumman Corporation | Methane extraction method and apparatus using high-energy diode lasers or diode-pumped solid state lasers |
| BRPI0918403A2 (en) * | 2008-08-20 | 2015-11-24 | Foro Energy Inc | method and system for advancing a wellbore using a high power laser |
| DE102010004609A1 (en) * | 2010-01-13 | 2011-08-25 | Smolka, Peter P., Dr., 48161 | Bit less drilling system for drilling deep holes in e.g. tunnel for mounting power cable, has casing designed as lattice and made of plastic with low temperature, metal and ceramics, and device manipulating rock and borehole wall |
| WO2012142738A1 (en) * | 2011-04-18 | 2012-10-26 | Empire Technology Development Llc | Improved drilling technology |
| EP2825715B1 (en) | 2012-03-15 | 2016-07-27 | Josef Grotendorst | Method and apparatus for introducing or sinking cavities in rock |
| AU2013286589A1 (en) * | 2012-07-05 | 2015-02-26 | Sdg, Llc | Apparatuses and methods for supplying electrical power to an electrocrushing drill |
| BR102012023179A2 (en) * | 2012-09-14 | 2014-11-11 | Roberto Nunes Szente | MECHANICAL TERMINAL PROCESS FOR DRILLING |
| SK500582012A3 (en) * | 2012-12-17 | 2014-08-05 | Ga Drilling, A. S. | Multimodal rock breaking by thermal effects and system to perform it |
-
2014
- 2014-05-15 DE DE102014106843.2A patent/DE102014106843B4/en not_active Expired - Fee Related
-
2015
- 2015-05-04 BR BR112016026505-0A patent/BR112016026505B1/en not_active IP Right Cessation
- 2015-05-04 US US15/310,042 patent/US20170138129A1/en not_active Abandoned
- 2015-05-04 WO PCT/EP2015/059707 patent/WO2015173049A2/en active Application Filing
- 2015-05-04 NZ NZ727558A patent/NZ727558A/en not_active IP Right Cessation
- 2015-05-04 CA CA2948698A patent/CA2948698C/en active Active
- 2015-05-04 JP JP2017512106A patent/JP6738321B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2015-05-04 MX MX2016014786A patent/MX2016014786A/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102014106843B4 (en) | 2020-09-17 |
| WO2015173049A3 (en) | 2016-04-28 |
| US20170138129A1 (en) | 2017-05-18 |
| BR112016026505B1 (en) | 2022-04-12 |
| CA2948698C (en) | 2019-02-12 |
| JP2017516006A (en) | 2017-06-15 |
| WO2015173049A2 (en) | 2015-11-19 |
| MX2016014786A (en) | 2017-03-23 |
| DE102014106843A1 (en) | 2015-11-19 |
| CA2948698A1 (en) | 2015-11-19 |
| BR112016026505A2 (en) | 2017-08-15 |
| NZ727558A (en) | 2020-05-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10968736B2 (en) | Laser tool | |
| JP4270577B2 (en) | Rock processing method and apparatus using laser | |
| US11548098B2 (en) | Methods for removing interstitial material from superabrasive materials of cutting elements using energy beams | |
| JP6738321B2 (en) | How to provide a borehole | |
| US20140041940A1 (en) | System and method for drilling in rock using microwaves | |
| US11111726B2 (en) | Laser tool configured for downhole beam generation | |
| US20110258936A1 (en) | Methods of forming polycrystalline compacts | |
| Yan et al. | Study on the interaction mechanism between laser and rock during perforation | |
| US9631433B2 (en) | Method and apparatus for introducing or sinking cavities in rock | |
| US2738162A (en) | Method and apparatus for forming blasting holes in rock | |
| Xu et al. | Laser rock drilling by a super-pulsed CO2 laser beam | |
| WO2013110328A1 (en) | Thermal spallation atomic hydrogen arc drilling | |
| FR2533858A1 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR DRILLING THE BRICK SUPERIOR WALL OF A COKE OVEN | |
| US5254829A (en) | Use of a plasma torch to open a tap hole in a metal furnace | |
| JP2561289B2 (en) | Reactive metal manufacturing equipment | |
| RU2436926C2 (en) | Drilling assembly for drilling of hard mine rocks | |
| US11220876B1 (en) | Laser cutting tool | |
| EP4117851B1 (en) | Laser tool with purging head, and method of performing with such a tool within a wellbore of a hydrocarbon-bearing rock formation | |
| JP2003262083A (en) | Gas-hydrate recovering system | |
| Zhan et al. | In-situ analysis of the microscopic thermal fracture behavior of PDC cutters using environmental scanning electron microscope | |
| JP4357981B2 (en) | Slag processing method and processing apparatus | |
| WO2014040152A1 (en) | Thermo-mechanical drilling method | |
| JP2009033013A (en) | Method of producing crystalline silicon particles | |
| Bakhtbidar et al. | Experimental evaluation of rock spallation with Laser Irradiation | |
| JP2006002242A (en) | Plasma thermal spraying device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170117 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170510 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180330 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180330 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20180622 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180828 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181113 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20190208 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190412 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190913 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20191128 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20200207 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200306 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200626 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200717 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6738321 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |