WO2015173049A2 - Verfahren zum einbringen eines bohrlochs - Google Patents

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WO2015173049A2
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thermal
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Joachim STUMPFE
Johannes KÖCHER
Arno ROMANOWSKI
Dirk UHRLANDT
Sergey GORCHAKOV
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    • 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
    • E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
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    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP 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

Definitions

  • the invention relates to a method for introducing a borehole, in particular into the earth's crust.
  • the invention is based on the object to provide an improved method for introducing a borehole, which is characterized in particular by a fast propulsion and long service life.
  • This object is achieved by a method for introducing a borehole, in particular into the earth's crust, by means of a boring head which is held on a rod in the borehole, wherein the boring head comprises a thermal device, by the action of which on the bottom of the borehole material, In particular, rock is released by phase change from the solid phase, wherein the dissolved material in the direction of the opening of the borehole, in particular to the earth's surface, is transported away.
  • the thermal device is operated such that it generates such a high thermal output power, whereby the material predominantly sublimates in the transition from the solid phase.
  • the core of the invention lies in particular in the fact that in a thermal drilling process, the material is not even transferred by the sublimation into the liquid phase.
  • the power supply is not reduced but rather increased to prevent the formation of liquid material.
  • the thermal power to the material the melting depth drops to less than 1 cm, resulting in a significant reduction in the amount of liquid material at the bottom of the wellbore; This can be attributed to the short-term cooling effect of the sublimation on the underlying material layers.
  • Increasing the thermal output also increases the possible feed rate.
  • the sublimation of the material allows a quick discharge of the material.
  • Immediately after the burner, or in some cases controlled by cooling nozzles resubstances the material to small particles that can be easily flushed out.
  • the particles that are formed in a resublimation much smaller than the particles that are formed by condensation.
  • the so-called plasma torches are used as the thermal device, whereby the term "burner” is sometimes used incorrectly in this context
  • the high temperatures generated by the device are involved, this need not necessarily be accompanied by burning
  • optical devices eg lasers, are conceivable as long as they can provide the required thermal performance.
  • At least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, at least 90% by weight or at least 95% by weight, of the material dissolved from the solid phase is converted by sublimation into the gaseous phase.
  • the rest of the dissolved material first melts and only then, if at all, in the gaseous phase over.
  • the high level of sublimed material also causes a sudden increase in volume, which eventually spills liquid components off the solid surface at the bottom of the well. In this respect, it is not necessarily required that the material is only released from the solid phase by sublimation.
  • the phase state of the dissolved material is monitored by at least one sensor mounted on the drill head.
  • the proportion of liquid material in the total discharge can be determined and measures taken if necessary.
  • the phase state of the cuttings at the bottom of the borehole is optically monitored by means of the sensor mounted on the boring head.
  • the proportion of the liquid phase in the total discharge can be determined continuously.
  • the sensor is based in particular on pyrometric temperature determination and serves to determine the temperature difference between the dissolved material at the bottom of the borehole and its side wall. The method uses the temperature differences between the solid and liquid phases.
  • the proportion of the liquid phase can be determined by means of a mathematical method in conjunction with the flame pressure.
  • an amount of liquefied material at the bottom of the wellbore is controlled to a predetermined set point, the thermal output power being increased to reduce the amount of liquefied material.
  • Such a regulation can ensure that the liquid content of the dissolved material does not become too large.
  • the rock stored there has one or more of the following
  • the borehole has in particular the following parameters:
  • Distance of the earth's surface to the bottom of the borehole at least 1000 m, in particular at least 2000 m or at least 4000 m. Diameter of the borehole 2 - 30 cm, in particular less than 20 cm.
  • the method described here is particularly suitable for the production of wells with a high aspect ratio (depth to diameter of the borehole) of at least 1000: 1, in particular of at least 3000: 1 or at least 10,000: 1, or very deep boreholes of at least 20,000: 1 or at least 100,000: 1.
  • the power of the thermal device ie the thermal output power occurring in the process, is at least 80 kW, preferably at least 1000 kW. If a plasma generating device is selected as the thermal device, then the temperature of the exiting plasma jet at the drill head should be 2000 K, preferably at least 5000 K, in order to effect the sublimation to the required extent.
  • the following gases can be used: nitrogen, acetone, oxygen, hydrogen, helium, argon and carbon dioxide.
  • the power density is preferably at least 10 7 W / m 2 , preferably 5 ⁇ 10 7 W / m 2 .
  • the power density is understood to be the thermal power per unit area that is applied by the thermal device to the surface of the rock.
  • a gas stream is used to convey the removed material toward the surface, in particular the earth's surface.
  • This can be the same gas that is used for a plasma jet.
  • the material is then passed past the drill head, in particular through a gap between the drill head and the borehole.
  • the sublimed material is cooled by a cooling gas stream separate from the plasma jet.
  • This preferably forms a gas cushion between the sublimated rock and the drill head.
  • this cooling gas flow or the gas cushion on the one hand ensures that the sublimated material does not come into contact with the drill head.
  • a cooling of the sublimated material can be effected so that it comes to Resublimation and thereby to a kind of dusting or formation of very small particles. This dusty material is then conveyed up through the gap.
  • the Resublimation can also be done directly on the wall of the borehole, so that deposited there material and thus causes a glazing of the borehole.
  • the cooling gas flow is injected laterally into the gap between the drill head and the borehole. This can be prevented that the gaseous material comes into contact with the drill head and condenses on this and solidifies or resublimates.
  • the invention further relates to a device for introducing a borehole, in particular into the earth's crust.
  • the device comprises a drill head, a linkage for holding the drill head in the wellbore, and a thermal device disposed on the wellhead, by the action of which at the bottom of the wellbore material is released therefrom by phase change from the solid phase.
  • the device further comprises a, in particular mounted on the drill head, sensor with which the phase state of the dissolved material can be monitored in particular at the bottom of the borehole.
  • a photo-optical sensor in particular a pyrometer can be used. With the aid of such a device, the control of the thermal output power described above can be realized.
  • FIG. 1 shows a borehole with a drill head inserted therein in cross section
  • Figure 2 schematically shows the borehole of Figure 1 with different
  • FIG. 1 Shown in FIG. 1 is a borehole 1 which is introduced from the earth's surface 7 into the earth's crust 3.
  • the borehole should now be enlarged, so that it can penetrate into further depths.
  • a drill head 4 is provided, which is held by means of a linkage 5, which projects coaxially to the borehole 7 from the earth's surface 7 into the borehole 7.
  • a plasma generating device 6 is arranged, which generates a plasma jet 8. With the aid of the plasma jet 8, which has temperatures of 2000 K or more, rock 3 at the bottom 2 of the borehole 1 is released from the solid phase and thus removed.
  • the plasma generating device corresponds in its basic structure to already known devices of this type and comprises a central inner anode 10 and an annular cathode 9, arranged coaxially with the anode 10.
  • a gas suitable for plasma formation for example nitrogen, oxygen, hydrogen, argon , Helium, carbon dioxide, injected at high pressure in the area between the cathode 9 and anode 10.
  • the Arrangement of anode 10 and cathode 9 generates a correspondingly applied high voltage an arc through which the plasma or the plasma jet 8 is generated.
  • the gas undergoes an enormous increase in temperature to over 2500 K, which is required for the removal of the rock.
  • the plasma jet 8 is brought to such a level of performance that the rock is predominantly sublimated, that does not melt first. It is thus largely avoided that liquid rock accumulates on the bottom 2 of the borehole 1. Liquid rock should be avoided as it can easily catch on the drill head and thus damage the drill bit. Furthermore, it can accumulate in the annular gap between the drill head and the well and there provide a blockage.
  • a jacket channel 12 is formed within the drill head 4, which is arranged annularly around the plasma generating device 6. Through this jacket channel 12 flows a cooling gas flow 15, which also comes from the supply line 1 1, at high speed. This gas exits the jacket channel 12 in the vicinity of an end face 17, that is to say the downwardly pointing region of the drill head 4, and ensures that a type of gas cushion 16 is produced between the plasma gas 13 with sublimated rock and the drill head 4. This gas cushion 16 is required where the rock is in gaseous form, which is marked by the solid and provided with the reference numeral 13 line.
  • a pyrometer 17 measures the temperature distribution at the Borehole 1 in the region of the drill head 4. Solid components, for example the edge of the borehole 1, have a lower temperature than liquid constituents, namely the liquefied rock 18; liquid constituents have a lower temperature than gaseous constituents. This allows the shape of the meniscus, ie the curvature of the liquid surface at the bottom 2 of the borehole 1, to be determined.
  • FIG. 2a shows a meniscus with a steep outer area, which indicates a low level of liquid.
  • FIG. 2b shows a meniscus with a flat outer region, which indicates a higher liquid level.

Abstract

Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs (1), insbesondere in die Erdkruste (3) mittels eines Bohrkopfes (4), der an einem Gestänge (5) in dem Bohrloch (1) gehalten ist, wobei der Bohrkopf (4) eine thermische Vorrichtung (5) umfasst, durch deren Einwirkung auf den Grund (2) des Bohrloches (1) dort Material (2) durch Phasenänderung aus der festen Phase gelöst wird, wobei das gelöste Material in Richtung der Erdoberfläche (7) abtransportiert wird, wobei die thermische Vorrichtung (5) derart betrieben wird, dass sie eine derart hohe thermische Ausgangsleistung erzeugt, wodurch das Material beim Übergang aus der festen Phase überwiegend sublimiert.

Description

Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs, insbesondere in die Erdkruste.
Für die Erschließung von Öl- und Gasquellen werden heute standardmäßig mechanische Bohrverfahren eingesetzt. Diese mechanischen Bohrverfahren wenden zum Abtragen des Gesteins im Bohrloch einen rotierenden Meißel an. Neben dem rotierenden Verfahren gibt es auch schlagende oder drehschlagende Bohrmeißel. Der Bohrmeißel wird dabei mechanisch oder hydrodynamisch angetrieben. Über ein Gestänge, das häufig in Abschnitten zusammengeschraubt oder gesteckt wird, wird die mechanische Energie auf den Meißel übertragen und somit Gesteinsmaterial abgetragen. Hierfür ist eine Kühlung nötig. Die Kühlung erfolgt mit einer Bohrflüssigkeit, die zu großen Teilen aus Wasser besteht. Neben der Kühlung kommt der Flüssigkeit auch noch der Abtransport des abgetragenen Bohrgutes vom Grund des Bohrlochs nach oben zu. Limitierend bei dieser Kühl- und Austragmethode sind aber die großen Temperaturen, die in Tiefen, insbesondere ab 2000 m herrschen. Die Temperaturen sind dort derart hoch, dass eine effektive Kühlung über die Bohrflüssigkeit nicht mehr erfolgen kann. Dies ist einer der Gründe, weshalb Bohrungen in Tiefen ab 2000 m nur noch schwer durchgeführt werden können. Ab einer gewissen Temperatur beginnt die Kühlflüssigkeit am Bohrmeißel zu sieden und kann so nicht mehr genügend Wärme bzw. Gestein abführen. Die zu erreichenden Tiefen sind auch begrenzt durch die jeweiligen geologischen Gegebenheiten des Gesteins am jeweiligen Bohrloch. Zwar kann durch verschiedene Zusätze der Siedepunkt der Bohrflüssigkeit erhöht werden, was deren Funktionsfähigkeit auch bei großen Temperaturen ermöglicht; diesen Einstellmöglichkeiten sind aber technische Grenzen gesetzt. In der WO 2013/135391 A2 wird ein Verfahren zum Einbringen von Hohlräumen im Gebirge offenbart, bei welchen das an der Front des Hohlraums anstehende Gestein thermisch aufgeschmolzen wird. Mit Hilfe eins gasförmigen Mediums wird das verflüssigte Gestein aus dem Hohlraum ausgetragen. Die zum Aufschmelzen des Gesteins benötigte Wärme wird von einem am Vortriebskopf angeordneten Plasmaerzeuger bereitgestellt. Die hohen Temperaturen im Bohrloch bereiten diesem Verfahren keine wesentlichen Nachteile.
Problematisch an diesem Plasmabohren ist aber das Handling des verflüssigten Gesteins, welches an dem Bohrkopf vorbei zur Öffnung des Bohrloches gefördert werden muss. Das verflüssigte Gestein kann sich an dem Bohrkopf niederschlagen (kondensieren). Dies kann zur Zerstörung des Bohrkopfes führen, was hohe Kosten und Ausfallzeiten erzeugt. Diesem Problem versucht man bislang damit zu begegnen, indem der Flüssigkeitsstand am Grund des Bohrlochs möglichst gering gehalten wird. Dazu wird die Leistung des Plasmaerzeugers reduziert. Dies verlangsamt natürlich den Bohrfortschritt, da die Vorschubgeschwindigkeit weitgehend linear zur thermischen Ausgangsleistung ist. Insofern wird das Plasmabohren derzeit kaum rentabel angewendet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs bereitzustellen, was sich insbesondere durch einen schnellen Vortrieb und durch lange Standzeiten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs, insbesondere in die Erdkruste, mittels eines Bohrkopfes, der an einem Gestänge in dem Bohrloch gehalten ist, wobei der Bohrkopf eine thermische Vorrichtung umfasst, durch deren Einwirkung auf den Grund des Bohrloches dort Material, insbesondere Gestein, durch Phasenänderung aus der festen Phase gelöst wird, wobei das gelöste Material in Richtung zur Öffnung des Bohrlochs, insbesondere zur Erdoberfläche, abtransportiert wird. Erfindungsgemäß wird die thermische Vorrichtung derart betrieben, dass sie eine derart hohe thermische Ausgangsleistung erzeugt, wodurch das Material beim Übergang aus der festen Phase überwiegend sublimiert. Der Kern der Erfindung liegt insbesondere nun darin, dass in einem thermischen Bohrverfahren das Material durch die Sublimation erst gar nicht in die flüssige Phase überführt wird. Durch die Sublimation wird diese Phase faktisch übersprungen. Die Gefahr des Niederschlags von flüssigem Material am Bohrkopf wird dadurch immens reduziert. Ebenfalls wird die Gefahr reduziert, dass flüssiges Gestein an den Bohrkopf spritzt und sich dort niederschlägt. Im Gegensatz zum oben beschrieben Plasmabohren nach dem Stand der Technik wird erfindungsgemäß die Leistungszufuhr folglich nicht reduziert sondern vielmehr erhöht, um die Bildung von flüssigem Material zu verhindern. Durch die Erhöhung der thermischen Leistung auf das Material sinkt die Schmelztiefe auf weniger als 1 cm, was zur signifikanten Reduktion des Anteils an flüssigem Material am Grund des Bohrlochs führt; dies lässt sich auf die kurzfristig kühlende Wirkung der Sublimation auf die tieferliegenden Materialschichten zurückführen. Durch die Erhöhung der thermischen Ausgangsleistung erhöht sich zugleich die mögliche Vorschubgeschwindigkeit.
Ferner ermöglicht die Sublimation des Materials einen schnellen Austrag des Materials. Unmittelbar nach dem Brenner, oder in Einzelfällen gesteuert durch Kühldüsen resublimiert das Material zu kleinen Partikel die leicht hinausgespült werden können. In Abgrenzung zu Verfahren die über eine flüssige Phase gehen, sind die Partikel, die bei einer Resublimation entstehen, wesentlich kleiner als die Partikel, die durch Kondensation entstehen.
Als thermische Vorrichtung kommen insbesondere die sogenannten Plasmabrenner zur Anwendung, wobei der Begriff „Brenner" in diesem Zusammenhang teilweise falsch angewendet wird. Im vorliegenden Verfahren kommt es zwar auf die hohen Temperaturen an, die die Vorrichtung erzeugt; dies muss aber nicht zwangsläufig mit einem Brennen, also einer Oxidation, einhergehen. Grundsätzlich sind auch optische Vorrichtungen, z.B. Laser denkbar, sofern sie die geforderte thermische Leistung bereitstellen können.
Vorzugsweise geht zumindest 50 Gew-%, vorzugsweise zumindest 80 Gew-%, zumindest 90 Gew-% oder zumindest 95 Gew-%, des aus der festen Phase gelösten Materials durch Sublimation in die gasförmige Phase über. Der Rest des gelösten Materials schmilzt zunächst und geht erst anschließend, wenn überhaupt, in die gasförmige Phase über. Der hohe Anteil an sublimiertem Material bewirkt auch eine schlagartige Volumenvergrößerung, die ggf. flüssige Bestandteile von der festen Oberfläche am Grund des Bohrlochs regelrecht wegschleudert. Insofern ist es nicht zwangsläufig erforderlich, dass das Material ausschließlich durch Sublimation aus der festen Phase gelöst wird.
Bei der herkömmlichen Oberflächenbearbeitung von Gesteinsbrocken mittels eines Plasmastrahls kommt es zwar bei auch vereinzelt zur Sublimation von Gestein, wie es beispielsweise in der DE 19 43 058 C3 beschrieben ist; dass aber nun ein thermisches Bohrwerkzeug absichtlich auf ein Leistungsniveau gebracht wird, dass das Gestein zu einem großen Teil sublimiert anstelle schmilzt um damit die genannte Problematik zu lösen, ist bislang noch nicht beschrieben worden.
Insgesamt lassen sich nun so Vorschubgeschwindigkeiten von 2 - 10 mm / s erreichen. Bei optimalen Betriebsbedingungen hat das Plasmabohren auch das Potential für längere Standzeiten gegenüber den mechanischen Bohrverfahren.
Bevorzugt wird durch zumindest einen am Bohrkopf angebrachten Sensor der Phasenzustand des gelösten Materials insbesondere am Grund des Bohrlochs überwacht. Hierdurch kann der Anteil von flüssigem Material am Gesamtaustrag ermittelt werden und bei Bedarf Maßnahmen eingeleitet werden. Während des Betriebs wird dazu insbesondere der Phasenzustand des Bohrgutes am Grund des Bohrlochs mittels des am Bohrkopf angebrachten Sensors optisch überwacht. Hierdurch kann kontinuierlich der Anteil der flüssigen Phase am Gesamtaustrag bestimmt werden. Der Sensor basiert insbesondere auf pyrometrischer Temperaturbestimmung und dient der Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen dem gelösten Material am Grund des Bohrlochs und dessen Seitenwand. Das Verfahren nutzt die Temperaturunterschiede zwischen fester und flüssiger Phase. Aus der Ausprägung des Meniskus kann mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens in Verbindung mit dem Flammdruck der Anteil der flüssigen Phase bestimmt werden. Vorzugsweise wird durch Regelung der thermischen Ausgangsleistung eine Menge an verflüssigtem Material am Grund des Bohrlochs auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt, wobei für eine Reduzierung der Menge an verflüssigtem Material die thermische Ausgangsleistung erhöht wird. Eine solche Regelung kann sicherstellen, dass der Flüssiganteil am gelösten Material nicht zu groß wird. Durch die Reduktion des Flüssiganteils wird die Gefahr des Verstopfens des Bohrloches gering gehalten, ohne dass damit eine Reduktion der Vortriebsgeschwindigkeit einhergeht.
Bei Tiefenbohrungen in mehr als 1000m Tiefe liegen besondere Bedingungen vor.
Das dort lagernde Gestein weist insbesondere eine oder mehrere der folgenden
Parameter auf:
Dichte: 1300 - 4000 kg / m3;
thermische Leitfähigkeit: 2 - 5 W / m K;
spezielle Wärmekapazität: 600-2000J / kg K;
Schmelzpunkt: 600 - 2000°C;
Siedepunkt: 2800 - 4000 K
Verdampfungsenthalpie: 2 MJ / kg;
Das Bohrloch weist insbesondere folgende Parameter auf:
Abstand der Erdoberfläche zum Grund des Bohrlochs (Tiefe des Bohrlochs): zumindest 1000 m, insbesondere zumindest 2.000 m oder zumindest 4.000 m. Durchmesser des Bohrlochs 2 - 30 cm, insbesondere weniger als 20 cm.
Grundsätzlich ist das hier beschriebene Verfahren besonders geeignet für die Herstellung von Bohrlöchern mit einem hohen Aspektverhältnis (Quotient aus Tiefe zu Durchmesser des Bohrlochs) von zumindest 1000:1 , insbesondere von zumindest 3000:1 oder zumindest 10.000:1 , oder bei sehr tiefen Bohrlöchern von zumindest 20.000:1 oder zumindest 100.000:1 .
Die Leistung der thermischen Vorrichtung, also die im Verfahren auftretende thermischen Ausgangsleistung, liegt bei zumindest 80 kW, vorzugsweise bei zumindest 1000 kW. Wird als thermische Vorrichtung eine Plasmaerzeugungsvorrichtung gewählt, so sollte die Temperatur des austretenden Plasmastrahls am Bohrkopf 2000 K, vorzugsweise zumindest 5000 K betragen, um die Sublimation im erforderlichen Maße zu bewirken. Es können folgende Gase verwendet werden: Stickstoff, Aceton, Sauerstoff, Wasserstoff, Helium, Argon und Kohlendioxid. Die Leistungsdichte beträgt vorzugsweise zumindest 107 W/m2, vorzugsweise 5 x 107 W/m2. Unter der Leistungsdichte wird dabei die thermische Leistung pro Flächeneinheit verstanden, die von der thermischen Vorrichtung auf die Oberfläche des Gesteins aufgebracht wird.
Vorzugsweise wird ein Gasstrom dafür benutzt, um das abgetragene Material in Richtung Oberfläche, insbesondere Erdoberfläche zu fördern. Dies kann dasselbe Gas sein, welches auch für einen Plasmastrahl verwendet wird. Das Material wird dann seitlich am Bohrkopf vorbeigeführt, insbesondere durch einen Spalt zwischen Bohrkopf und Bohrloch hindurch.
Vorzugsweise wird das sublimierte Material durch einen zum Plasmastrahl separaten Kühlgasstrom gekühlt. Dieses bildet vorzugsweise ein Gaspolster zwischen dem sublimierten Gestein und dem Bohrkopf. Insbesondere sorgt dieser Kühlgasstrom bzw. das Gaspolster zum einen dafür, dass das sublimierte Material nicht in Berührung mit dem Bohrkopf gerät. Zum anderen kann eine Kühlung des sublimierten Materials bewirkt werden, so dass es zur Resublimation und dadurch zu einer Art Verstaubung bzw. Bildung kleinster Partikel kommt. Dieses verstaubte Material wird dann durch den Spalt hindurch nach oben befördert. Die Resublimation kann auch direkt an der Wandung des Bohrlochs erfolgen, so dass sich dort Material ablagert und so eine Verglasung des Bohrlochs bewirkt.
Vorzugsweise wird der Kühlgasstrom seitlich in den Spalt zwischen Bohrkopf und Bohrloch eingeblasen. Damit kann verhindert werden, dass das gasförmige Material in Berührung mit dem Bohrkopf gerät und an diesem kondensiert und erstarrt bzw. resublimiert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Einbringen eines Bohrlochs, insbesondere in die Erdkruste. Die Vorrichtung umfasst einen Bohrkopf, ein Gestänge zum Halten des Bohrkopfes in dem Bohrloch, sowie eine am Bohrkopf angeordnete thermische Vorrichtung, durch deren Einwirkung auf den Grund des Bohrloches dort Material durch Phasenänderung aus der festen Phase gelöst wird. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner einen, insbesondere am Bohrkopf angebrachten, Sensor, mit dem der Phasenzustand des gelösten Materials insbesondere am Grund des Bohrlochs überwacht werden kann. Als Sensor kann ein photoptischer Sensor, insbesondere ein Pyrometer verwendet werden. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung lässt sich die weiter oben beschriebene Regelung der thermischen Ausgangsleistung realisieren.
Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Hierin zeigt
Figur 1 ein Bohrloch mit darin eingebrachtem Bohrkopf im Querschnitt;
Figur 2 schematisch das Bohrloch nach Figur 1 mit unterschiedlichen
Ausprägungen des Flüssigkeitstandes am Grunde des Bohrlochs.
Gezeigt ist in Figur 1 ein Bohrloch 1 , welches von der Erdoberfläche 7 in die Erdkruste 3 eingebracht wird. Die Tiefe T des Bohrlochs (= Abstand von der Erdoberfläche 7 zum Grund 2 des Bohrlochs 1 ) beträgt etwa 4000 m. Das Bohrloch soll nun vergrößert werden, so dass in weitere Tiefen vorgedrungen werden kann. Hierfür ist ein Bohrkopf 4 vorgesehen, der mittels eines Gestänges 5 gehalten ist, welches koaxial zum Bohrloch 7 von der Erdoberfläche 7 in das Bohrloch 7 hineinragt. Innerhalb des Bohrkopfs 4 ist eine Plasmaerzeugungsvorrichtung 6 angeordnet, die einen Plasmastrahl 8 erzeugt. Mit Hilfe des Plasmastrahls 8, der Temperaturen von 2000 K oder mehr aufweist, wird Gestein 3 am Grund 2 des Bohrlochs 1 aus der festen Phase gelöst und somit abgetragen.
Die Plasmaerzeugungsvorrichtung entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau bereits bekannten Vorrichtungen dieser Art und umfasst eine zentral innenliegende Anode 10 und eine ringförmige Kathode 9, koaxial angeordnet zur Anode 10. Über eine Versorgungsleitung 1 wird ein zur Plasmabildung geeignetes Gas, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid, mit hohem Druck in den Bereich zwischen Kathode 9 und Anode 10 eingeblasen. Die Anordnung aus Anode 10 und Kathode 9 erzeugt bei entsprechend angelegter hoher Spannung einen Lichtbogen, durch den das Plasma bzw. der Plasmastrahl 8 erzeugt wird. Hierdurch erfährt das Gas eine enorme Temperaturerhöhung auf über 2500 K, was für das Abtragen des Gesteins erforderlich ist.
Dabei wird der Plasmastrahl 8 auf ein derartiges Leistungsniveau gebracht, dass das Gestein überwiegend sublimiert wird, also nicht zuerst schmilzt. Es wird somit weitgehend vermieden, dass sich flüssiges Gestein am Grund 2 des Bohrlochs 1 ansammelt. Flüssiges Gestein ist zu vermeiden, da es leicht am Bohrkopf ansetzen und somit den Bohrkopf beschädigen kann. Ferner kann es sich im Ringspalt zwischen Bohrkopf und Bohrloch ansammeln und dort für eine Verstopfung sorgen.
Nun ist dafür zu sorgen, dass das gelöste gasförmige Gestein möglichst schnell in die feste Phase zurückgeführt wird und dabei möglichst feinkörnig sublimiert bzw. erstarrt. Hierfür wird ein Mantelkanal 12 innerhalb des Bohrkopfes 4, der ringförmig um die Plasmaerzeugungsvorrichtung 6 angeordnet ist, gebildet. Durch diesen Mantelkanal 12 strömt ein Kühlgasstrom 15, der ebenfalls aus der Versorgungsleitung 1 1 stammt, mit hoher Geschwindigkeit hindurch. Dieses Gas tritt in der Nähe einer Stirnseite 17, also des nach unten weisenden Bereichs des Bohrkopfes 4, aus dem Mantelkanal 12 aus und sorgt dafür, dass eine Art Gaspolster 16 zwischen dem Plasmagas 13 mit sublimiertem Gestein und dem Bohrkopf 4 erzeugt wird. Diese Gaspolster 16 ist dort erforderlich, wo das Gestein in gasförmiger Form vorliegt, was durch die durchgezogene und mit dem Bezugszeichen 13 versehene Linie markiert ist. Bedingt durch dieses Gaspolster 16 erfolgt zudem eine zügige Abkühlung des gasförmigen Gesteins, wodurch dieses resublimiert und in so in eine feste Staubform gelangt. Dies ist in der Zeichnung dargestellt durch die gestrichelte und mit dem Bezugszeichen 14 versehene Linie. Es folgt ein Vermischen mit dem Kühlgasstrom 15 und ein gemeinsames Abführen von Kühlgasstrom 15 und Plasmagasstrom 14 mit resublimiertem Gestein in Richtung zur Eroberfläche 7.
Anhand der Figur 2 wird die Ermittlung des Flüssigkeitsstandes am Grund des Bohrlochs 2 erläutert. Ein Pyrometer 17 misst die Temperaturverteilung am Bohrloch 1 im Bereich des Bohrkopfes 4. Feste Bestandteile, z.B. der Rand des Bohrlochs 1 , weisen eine geringere Temperatur auf als flüssige Bestandteile, nämlich das verflüssigte Gestein 18; flüssige Bestanteile weisen eine geringere Temperatur auf als gasförmige Bestandteile. Hieran lässt sich die Form des Meniskus, also der Wölbung der Flüssigkeitsoberfläche am Grund 2 des Bohrlochs 1 , bestimmen.
Die Form des Meniskus steht nun im Zusammenhang mit dem Flüssigkeitsstand am Grund des Bohrlochs. In Figur 2a ist ein Meniskus mit steilem Außenbereich gezeigt, der auf einen geringen Flüssigkeitsstand hindeutet. In Figur 2b ist ein Meniskus mit flachem Außenbereich gezeigt, der auf einen höheren Flüssigkeitsstand hindeutet. Über mathematische Modelle wird eine Korrelation zwischen der Form des Meniskus und dem Flüssigkeitsstand erstellt.
Bez u g s ze i c h e n l i s te Bohrloch
Grund des Bohrlochs
Gestein / Erdkruste
Bohrkopf
Gestänge
Plasmaerzeugungsvorrichtung
Erdoberfläche
Plasmastrahl
Kathode
Anode
Versorgungsleitung
Mantelkanal
Plasmagasstrom mit sublimiertem Gestein
Plasmagasstrom mit resublimiertem Gestein
Kühlgasstrom
Gaspolster
Pyrometer
Flüssigkeitsschicht Bohrlochtiefe

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs (1 ), insbesondere in die Erdkruste (3), mittels eines Bohrkopfes (4), der an einem Gestänge (5) in dem Bohrloch (1 ) gehalten ist,
wobei der Bohrkopf (4) eine thermische Vorrichtung (5) umfasst, durch deren Einwirkung auf den Grund (2) des Bohrloches (1 ) dort Material (2) durch
Phasenänderung aus der festen Phase gelöst wird, wobei das gelöste Material in Richtung in Richtung zur Öffnung des Bohrlochs, insbesondere zur Erdoberfläche (7), abtransportiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die thermische Vorrichtung (5) derart betrieben wird, dass sie eine derart hohe thermische Ausgangsleistung erzeugt, wodurch das Material beim Übergang aus der festen Phase überwiegend sublimiert.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest 40 Gew-%, vorzugsweise zumindest 90 Gew-% oder zumindest 95 Gew-% des aus der festen Phase gelösten Materials durch Sublimation in die gasförmige Phase übergeht.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch einen am Bohrkopf (4) angebrachten Sensor der Phasenzustand des gelösten Materials insbesondere am Grund des Bohrlochs überwacht wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Regelung der thermischen Ausgangsleistung eine Menge an verflüssigtem Material am Grund (2) des Bohrlochs (1 ) auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird, wobei für eine Reduzierung der Menge an verflüssigtem Material die thermische Ausgangsleistung erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die thermische Vorrichtung (5) mit einer Heizleistung von zumindest 80 kW betrieben wird, bevorzugt mit einer Heizleistung von mehr als 1000 kW.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die thermischen Vorrichtung (5) eine Temperatur von zumindest 2000K erzeugt, vorzugsweise zumindest 5000K.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das sublimierte Material (13) durch einen zum Plasmastrahl (8) separaten Kühlgasstrom (15) abgekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlgasstrom (15) ein Gaspolster zwischen dem sublimierten Gestein und dem Bohrkopf (4) bildet.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlgasstrom (15) in einen Spalt zwischen Bohrkopf (4) und Bohrloch (1 ) eingeblasen wird.
10. Vorrichtung zum Einbringen eines Bohrlochs (1 ), insbesondere in die Erdkruste (3), umfassend
einen Bohrkopf (4),
ein Gestänge (5) zum Halten des Bohrkopfes (4) in dem Bohrloch (1 ),
eine am Bohrkopf (4) angeordnete thermische Vorrichtung (5), durch deren Einwirkung auf den Grund (2) des Bohrloches (1 ) dort Material (2) durch
Phasenänderung aus der festen Phase gelöst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen insbesondere am Bohrkopf (4) angebrachten Sensor (17) umfasst, mit dem der Phasenzustand des gelösten Materials insbesondere am Grund des Bohrlochs überwachbar ist. 1. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor ein photooptischer Sensor, insbesondere ein Pyrometer (17) ist.
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