WO2015140344A2 - Verfahren zum abteufen eines bohrlochs - Google Patents

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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a method for sinking a borehole in the mountains, in which the pending at the bottom hole rock is thermally melted and discharged with the aid of a gaseous medium upwards out of the wellbore, wherein the heat required to melt the rock of at least one electric plasma generator is provided, which is assigned to a propellant head, which is located at the front of an insertable into the wellbore feed and supply linkage, wherein
  • the propellant head has a front heat shield, which covers the bottom hole except for a gap located on the periphery and forms a back pressure chamber with the bottom hole,
  • Such a method is known from WO 2013/135391 A2.
  • nitrogen is preferably used as the gaseous conveying medium, which is compressed by means of a compressor system and introduced into the borehole via the feed and supply linkage.
  • a part of the gaseous conveying medium is branched off in the region of the driving head and used to generate the plasma required at the borehole column.
  • the cooling of the plasma generator and the heat shield is carried out by extra water introduced and / or other coolant.
  • the invention proposes starting from the method of the aforementioned type that the gaseous medium is completely or at least partially performed in liquid form over the feed or supply linkage to the propellant head and there is divided into two streams, of which one is used for cooling and operation of the plasma generator and the other is used after evaporation as ascending pumping medium, the amounts of liquid in Both partial flows are controlled so that the temperature of both the propellant head and its components as well as the feed and supply linkage are kept in a predefined temperature window.
  • the adjusting temperatures can be kept in a predefined temperature window by a simple quantity control of the liquid gas partial streams introduced into the borehole.
  • the medium used is primarily nitrogen in question. However, other sufficiently inert gaseous media are also suitable.
  • a mounted on the surface of the day Abteufgestell is designated by the reference numeral 1, which is arranged above a borehole 2 to beprooftufenden.
  • This Abteufgestell 1 is provided with the usual means for introducing a feed and supply linkage 3, which serves for advancing and supplying a arranged in the borehole 2 driving head 4.
  • the propellant head 4 is provided on its side facing the bottom hole with a heat shield 5, which the bottom hole except for one on the periphery extending gap 6 covers and forms a back pressure chamber 7 with the bottom hole.
  • a plurality of electric plasma generator 8 are arranged in the form of plasma torches, the heat of which brings the pending at the bottom hole rock for melting or evaporation.
  • the melted at the bottom of the hole and / or evaporated rock is discharged through the ruling in the dynamic pressure chamber 7 pressure on the located at the periphery of the heat shield 5 gap 6 from the dynamic pressure chamber 7 and registered in the direction indicated by arrows 9 gaseous flow.
  • the gaseous medium is essentially nitrogen, which - at least for the most part - is first provided in liquid form from a liquefied gas tank 10 and fed to the propellant head 4 via an insulated liquid gas line 1 1.
  • This liquid gas - in the embodiment - liquid nitrogen is divided in the propellant head 4 via control valves 12 into two precisely controllable partial flows.
  • the first partial flow is supplied to the heat shield 5 and the plasma generators 8 to be used there for cooling and for the generation of the plasma.
  • the second part stream is used after its evaporation as an ascending flow, which rises in the annular space between the mountains and the feed and supply linkage and entrains the melted and / or vaporized rock.
  • a downstream separation device 13 the conveying gas stream is separated from the discharged rock dust.
  • a pressure vessel 14 is provided, via which additionally gaseous conveying medium can be supplied to the driving head via the feed and supply linkage.
  • additional supply with a gaseous medium is not provided, so that the feed and supply linkage can be made correspondingly thinner, resulting in a smaller hole diameter and thus to a leads to a significant cost reduction, which more than compensates for the costs of producing the liquid medium.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abteufen eines Bohrlochs (2) im Gebirge, bei welchem das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein thermisch aufgeschmolzen wird und mit Hilfe eines gasförmigen Fördermediums nach oben aus dem Bohrloch (2) ausgetragen wird, wobei die zum Aufschmelzen des Gesteins benötigte Wärme von mindestens einem elektrischen Plasmaerzeuger (8) bereitgestellt wird, der einem Vortriebskopf (4) zugeordnet ist, der sich vorne an einem in das Bohrloch (2) einschiebbaren Vorschub- und Versorgungsgestänge befindet. Um bei einem derartigen Verfahren die Überhitzung von metallischen Bauteilen der Einrichtung zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, dass das gasförmige Fördermedium zumindest ganz oder teilweise in flüssiger Form über das Vorschub- und Versorgungsgestänge (3) bis zum Vortriebskopf (4) geführt wird und dort in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine zur Kühlung und zum Betrieb des Plasmaerzeugers (8) verwendet wird und der andere nach Verdampfung als aufsteigendes Fördermedium verwendet wird, wobei die Flüssiggasmengen in beiden Teilströmen so gesteuert werden, dass die Temperatur sowohl des Vortriebskopfes (4) und seiner Bauteile als auch des Vorschub- und Versorgungsgestänges (3) in einem vordefinierten Temperaturfenster gehalten werden.

Description

Verfahren zum Abteufen eines Bohrlochs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abteufen eines Bohrlochs im Gebirge, bei welchem das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein thermisch aufgeschmolzen wird und mit Hilfe eines gasförmigen Fördermediums nach oben aus dem Bohrloch ausgetragen wird, wobei die zum Aufschmelzen des Gesteins benötigte Wärme von mindestens einem elektrischen Plasmaerzeuger bereitgestellt wird, der einem Vortriebskopf zugeordnet ist, der sich vorne an einem in das Bohrloch einschiebbaren Vorschub- und Versorgungsgestänge befindet, wobei
- der Vortriebskopf vorne einen Hitzeschild aufweist, der die Bohrlochsohle bis auf einen an der Peripherie befindlichen Spalt abdeckt und mit der Bohrlochsohle einen Staudruckraum bildet,
- der zwischen dem Hitzeschild und der Bohrlochsohle befindliche Staudruckraum mit einem durch den Plasmaerzeuger erhitzten Teilstrom des gasförmigen Fördermediums beaufschlagt wird,
- und dieser Teilstrom des gasförmigen Fördermediums das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein aufschmilzt, ganz oder teilweise verdampft, über den peripheren Spalt aus dem Staudruckraum austrägt und in den aufsteigenden Hauptstrom des gasförmigen Fördermediums einträgt.
Ein solches Verfahren ist aus der WO 2013/135391 A2 bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren wird als gasförmiges Fördermedium vorzugsweise Stickstoff verwendet, welcher mittels einer Kompressoranlage verdichtet wird und über das Vorschub- und Versorgungsgestänge in das Bohrloch eingebracht wird. Ein Teil des gasförmigen Fördermediums wird im Bereich des Vortriebskopfes abgezweigt und zur Erzeugung des an der Bohrlochsäule benötigten Plasmas verwendet. Die Kühlung des Plasmaerzeugers und des Hitzeschilds erfolgt durch extra eingebrachtes Wasser und/oder andere Kühlmittel.
Eine Überprüfung des Wärmehaushalts einer solchen Bohranlage hat ergeben, dass es nicht einfach ist, örtliche Überhitzungen zu vermeiden, die an den metallischen Bauteilen des Vortriebskopfes und/oder des Vorschub- und Versorgungsgestänges auftreten können. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn der elektrische Plasmaerzeuger mit sehr hohen elektrischen Leistungen arbeitet, um einen schnellen Vortrieb zu erzeugen. Die Leistung kann hier erheblich mehr als 1 Megawatt betragen. Die mit dieser Leistung eingetragene Wärme muss, soweit sie nicht in das umliegende Gebirge abfließt, mit dem Fördermedium wieder aus dem Bohrloch ausgetragen werden. Aus diesem Grund kann insbesondere der in dem Ringraum zwischen Gebirge und Vorschub und Versorgungsgestänge aufsteigende Förderstrom extrem heiß werden, was zu den oben erläuterten Überhitzungserscheinungen führen kann. Ähnliche Überhitzungen können auch am Hitzeschild und/oder an den Plasmaerzeugern auftreten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die oben geschilderten Überhitzungserscheinungen einfach und zuverlässig vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend vom Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass das gasförmige Fördermedium ganz oder zumindest teilweise in flüssiger Form über das Vorschub- oder Versorgungsgestänge bis zu dem Vortriebskopf geführt wird und dort in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine zur Kühlung und zum Betrieb des Plasmaerzeugers verwendet wird und der andere nach Verdampfung als aufsteigendes Fördermedium verwendet wird, wobei die Flüssigasmengen in beiden Teilströmen so gesteuert werden, dass die Temperatur sowohl des Vortriebskopfes und seiner Bauteile als auch des Vorschub- und Versorgungsgestänges in einem vordefinierten Temperaturfenster gehalten werden. Nach der Lehre der Erfindung können durch eine einfache Mengensteuerung der in das Bohrloch eingeführten Flüssiggasteilströme die sich einstellenden Temperaturen in einem vordefinierten Temperaturfenster gehalten werden. Durch die Verdampfung des Flüssiggases wird dem System nämlich jeweils die dafür erforderliche Verdampfungswärme entzogen. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ausschließlich mit Flüssiggas gearbeitet wird, weil sich dann die Zuführung von weiterem gasförmigen Fördermedium in das Bohrloch vollständig erübrigt. Das hat dann den Vorteil, dass für die Zuführung des verflüssigten Fördermediums nur sehr geringe Leitungsquerschnitte benötigt werden, wodurch wiederum der gesamte erforderliche Bohrlochquerschnitt entsprechend verringert werden kann. Allein schon durch diesen Effekt können die Mehrkosten für die Verflüssigung des Fördermediums mehr als aufgewogen.
Als Fördermedium kommt in erster Linie Stickstoff in Frage. Geeignet sind aber auch andere ausreichend inerte gasförmige Medien. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, die schematisch eine Anlage zeigt, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben wird.
In der Zeichnung ist ein an der Tagesoberfläche aufgestelltes Abteufgestell mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, welches oberhalb eines abzuteufenden Bohrloches 2 angeordnet ist. Dieses Abteufgestell 1 ist mit den üblichen Einrichtungen zum Einbringen eines Vorschub- und Versorgungsgestänges 3 versehen, welches zum Vorschieben und zur Versorgung eines in dem herzustellenden Bohrloch 2 angeordneten Vortriebskopfes 4 dient. Der Vortriebskopf 4 ist an seiner der Bohrlochsohle zugewandten Seite mit einem Hitzeschild 5 versehen, der die Bohrlochsohle bis auf einen an der Peripherie verlaufenden Spalt 6 abdeckt und mit der Bohrlochsohle einen Staudruckraum 7 bildet.
In oder an dem Hitzeschild 5 sind mehrere elektrische Plasmaerzeuger 8 in Form von Plasmabrennern angeordnet, deren Wärme das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein zum Aufschmelzen bzw. Verdampfen bringt.
Das an der Bohrlochsohle aufgeschmolzene und/oder verdampfte Gestein wird durch den im Staudruckraum 7 herrschenden Druck über den an der Peripherie des Hitzeschildes 5 befindlichen Spalt 6 aus dem Staudruckraum 7 ausgetragen und in den durch Pfeile 9 angedeuteten gasförmigen Förderstrom eingetragen. Das gasförmige Fördermedium ist im wesentlichen Stickstoff, welcher - zumindest zum größten Teil - zunächst in flüssiger Form aus einem Flüssiggastank 10 zur Verfügung gestellt wird und über eine isolierte Flüssiggasleitung 1 1 dem Vortriebskopf 4 zugeführt.
Dieses Flüssiggas - beim Ausführungsbeispiel - Flüssigstickstoff, wird im Vortriebskopf 4 über Steuerventile 12 in zwei genau steuerbare Teilströme aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird dem Hitzeschild 5 und den Plasmaerzeugern 8 zugeführt, um dort zur Kühlung und für die Erzeugung des Plasmas verwendet zu werden. Der zweite Teilstrom wird nach seiner Verdampfung als aufsteigender Förderstrom verwendet, der im Ringraum zwischen dem Gebirge und dem Vorschub- und Versorgungsgestänge aufsteigt und das abgeschmolzene und/ oder verdampfte Gestein mitnimmt. In einer nachgeschalteten Abscheideeinrichtung 13 wird der Fördergasstrom von dem ausgetragenen Gesteinstaub getrennt.
Beim in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu der Versorgung mit verflüssigtem Fördergas ein Druckbehälter 14 vorgesehen, über den zusätzlich gasförmiges Fördermedium über das Vorschub- und Versorgungsgestänge dem Vortriebskopf zugeführt werden kann. Vorzugsweise ist allerdings nach der Lehre der Erfindung eine solche zusätzliche Versorgung mit einem gasförmigen Fördermedium nicht vorgesehen, so dass das Vorschub- und Versorgungsgestänge entsprechend dünner ausgeführt werden kann, was im Ergebnis zu einem kleineren Bohrlochdurchmesser und damit zu einer erheblichen Kostensenkung führt, die die Kosten für die Erzeugung des flüssigen Fördermediums mehr als ausgleicht.

Claims

Patentanspruch
1 . Verfahren zum Abteufen eines Bohrloches (2) im Gebirge, bei welchem das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein thermisch aufgeschmolzen wird und mit Hilfe eines gasförmigen Fördermediums nach oben aus dem Bohrloch (2) ausgetragen wird, wobei die zum Aufschmelzen des Gesteins benötigte Wärme von mindestens einem elektrischen Plasmaerzeuger (8) bereit gestellt wird, der einem Vortriebskopf (4) zugeordnet ist, der sich vorne an einem in das Bohrloch (2) einschiebbaren Vorschub- und Versorgungsgestänge (3) befindet, wobei - der Vortriebskopf (4) vorne einen Hitzeschild (5) aufweist, der die
Bohrlochsohle bis auf einen an der Peripherie befindlichen Spalt (6) abdeckt und mit der Bohrlochsohle einen Staudruckraum (7) bildet,
- der zwischen dem Hitzeschild (5) und der Bohrlochsohle befindliche Staudruckraum (7) mit einem durch den Plasmaerzeuger (8) erhitzten Teilstrom des gasförmigen Fördermediums beaufschlagt wird,
- und dieser Teilstrom des gasförmigen Teilmediums das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein aufschmilzt, ganz oder teilweise verdampft, aus den Staudruckraum (7) austrägt und in den aufsteigenden Hauptstrom des gasförmigen Fördermediums einträgt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das gasförmige Fördermedium zumindest ganz oder teilweise in flüssiger Form über das Vorschub- und Versorgungsgestänge (3) bis zum Vortriebskopf (4) geführt wird und dort in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine zur Kühlung und zum Betrieb des Plasmaerzeugers (8) verwendet wird und der andere nach Verdampfung als aufsteigendes Fördermedium verwendet wird, wobei die Flüssiggasmengen in beiden Teilströmen so gesteuert werden, dass die Temperatur sowohl des Vortriebskopfes und seiner Bestandteile als auch des Vorschub- und Versorgungsgestänges in einem vordefinierten Temperaturfenster gehalten werden.
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