DE19909836A1 - Metallschmelze-Bohrverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schmelzbohrverfahren zur Einbringung maßhaltiger Bohrungen, insbesondere von großem Durchmesser, in Gestein, bei dem die Abraumschmelze in das durch Temperatur- und Druckeinwirkung aufgerissene Umgebungsgestein verpreßt wird und bei dem während des Bohrens durch erstarrende Schmelze eine Bohrlochverschalung erstellt wird, wobei als Bohrmedium eine Metall enthaltende Schmelze durch Leitungselemente dem durch Aufschmelzung abzutragenden Bohrlochgrund zugeführt wird. Hierzu wird bevorzugt eine Schmelze aus magnetischem Metall verwendet. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bohrvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Werkstoffe zum Einsatz bei diesem Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmelzbohrverfahren zur Einbringung maßhaltiger Bohrungen, insbesondere von großem Durchmesser, in Gestein, bei dem die Abraumschmelze in das durch Temperatur- und Druckeinwirkung aufgerissene Umgebungsgestein verpreßt wird und bei dem während des Bohrens durch erstarrende Schmelze eine Bohrlochverschalung erstellt wird.

Das Einbringen von Bohrungen in Gestein, mittels der Aufschmelzung des abzutragenden Gesteins, ist allgemein bekannt. So offenbart z. B. das Dokument US 3357505 einen Bohrkopf, mit dem die Aufschmelzung von Gestein betrieben wird.

Dieser bekannte Bohrkopf, der aus einem hochtemperatur­ beständigen Metall, wie z. B. Molybdän oder Wolfram besteht, wird mittels Heizelementen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur (1000-2000°C) des Gesteines aufgeheizt und mittels aufwendig verlängerbarer Vortriebsgestänge unter hohem Druck in das Gestein, welches sodann aufschmilzt, eingepreßt.

Die Problematik des Abtransportes der im Bohrvorgang entstehenden Abraumgesteinsschmelze, wird hier dadurch gelöst, daß die Gesteinsschmelze in eine Öffnung des Bohrkopfes eindringt und sodann, durch einen schnellen Gasstrom innerhalb eines Führungsrohres an die Oberfläche befördert wird.

Trotz der widerstandsfähigen Materialien unterliegt der Bohrkopf durch die Korrosionseinwirkung des geschmolzenen Gesteins einem großen Verschleiß, so daß dieser mitunter gewechselt werden muß.

Es ist weiterhin bekannt, die Abraumproblematik dadurch zu lösen, daß neben dem naturgemäß am Bohrkopf vorherrschenden extrem hohen Temperaturgradienten zwischen der Gesteinsschmelze und dem umliegenden festen Gestein die Schmelze einem hohen Druck ausgesetzt wird, um durch Temperatur-/Druckbeanspruchung eine Spaltbildung und ein Aufreißen des umliegenden festen Gesteins zu bewirken, in das die Abraumgesteinsschmelze verpreßt werden kann. Insofern ist es durch diese Methode nicht länger erforderlich, das Abraummaterial an die Oberfläche zu fördern.

Ebenfalls ist es bekannt, daß bei der Herstellung von Schmelzbohrungen die Gesteinsschmelze um den Bohrkopf herum gepreßt wird, so daß die Schmelze oberhalb und um den Schmelzbohrkopf herum insbesondere auch aufgrund vorgesehener Kühlmaßnahmen erstarrt und das Bohrloch mit einer gleichmäßigen glasigen Schmelzschicht verschalt.

Eine derartige Vorrichtung, bei der das Gestein durch eine H₂/O₂-Flamme geschmolzen wird, ist aus der DE 25 54 101 bekannt.

Hierbei ergibt sich die Problematik, daß durch die oberhalb und um das Bohrgerät erstarrende Schmelze eine Haftung zwischen Bohrgerätewandung und Bohrlochverschalung entsteht, die üblicherweise durch spezielle hydraulische Vortriebs- und Hebeanlagen für einen weiteren Bohrvortrieb überwunden werden muß.

Dementsprechend muß bei den bekannten Verfahren, mit einem stetigen hydraulischen Andruck gearbeitet werden, was die gesamte Bohranlage sehr aufwendig macht, da diese für enorme Drücke von bis zu mehreren tausend Tonnen ausgelegt sein muß. Weiterhin müssen diese bekannten Anlagen mit aufwendigen Versorgungsleitungen ausgestattet werden, um die enorme Energiemenge über mehrere Kilometer Bohrtiefe dem Bohrkopf zur Beheizung zuzuführen.

Aufgrund des Umschmelzens des Bohrkopfes gestaltet sich hier ebenfalls das spätere Heben des Bohrgeräts problematisch. Aufgabe der Erfindung ist es, ein energieeinsparendes universell einsetzbares Bohrverfahren bereitzustellen, mit dem in jedem Gesteinsuntergrund, sowohl horizontal als auch vertikal insbesondere im kontinuierlichen Vortrieb Tiefstbohrungen, Schächte und Tunnel, insbesondere mit großem Bohrlochdurchmessern, von z. B. mehr als 1 Meter, nutzungs­ fertig eingebracht werden können.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Schmelzbohrprozeß ohne zusätzliche Kühlungsmaßnahmen, ohne zeitaufwendige Bohrgestänge-Montagen, ohne bewegliche Bauteile, ohne Bohrkopf-Wechsel, ohne Abraum- Förderung und ohne nachträgliche Verschalungs- und Verrohrungsarbeiten kostengünstig und einfach durchgeführt werden kann.

Die Erfindung stellt ebenfalls darauf ab, spezielle Werkstoffe zur generellen Verwendung bei Schmelzbohrverfahren vorzuschlagen.

Diese Aufgaben werden unter anderem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Bohrmedium eine Metall enthaltende Schmelze durch Leitungselemente dem durch Aufschmelzung abzutragenden Bohrlochgrund zugeführt wird.

D. h., daß zur Durchführung des Bohrverfahrens erhitzte Metall enthaltende Schmelze, unter der auch reine Metallschmelze zu verstehen ist, z. B. Eisenschmelze von etwa 2000°C Einfülltemperatur, als niedrigviskoses Bohrmedium in das in Bohrrichtung erste Leitungselement eingegossen wird, so daß die Metallschmelze direkt über dem Bohrlochgrund aus dem letzten Leitungselement austritt und das Gestein des Bohrlochgrundes aufschmilzt und abträgt.

Das Abtragen des aufgeschmolzenen Abraumgesteines wird hierbei dadurch begünstigt, daß das Gestein eine deutlich geringere Dichte als die Metallschmelze hat, so daß die Gesteinsschmelze automatisch auf der Metallschmelze aufschwimmt. Der Bohrlochgrund wird somit selbsttätig und kontinuierlich von der aufgeschmolzenen Gesteinsschmelze befreit.

Durch den hohen statischen Druck, der sich durch die in den Leitungselementen stehende Metallschmelzesäule ergibt, wird bewirkt, daß in dem erfindungsgemäßen Verfahren, die aus dem untersten Leitungselement austretende Metallschmelze mit dem Abraummaterial (Gesteinsschmelze) zwischen die Außenseite der Leitungselemente und die Bohrlochinnenwand geführt wird, wo sie im Laufe des Bohrfortschritts erstarrt. Da der Bohrprozeß ohne weitere Kühlungsmaßnahmen erfolgt, ergibt sich gegenüber bekannten Schmelzbohrverfahren eine Energie- und Kosteneinsparung von über 50%.

Die erstarrte Schmelze, bei der es sich auch um eine Schmelzemischung aus Metall und Gestein handeln kann, bildet zwischen Leitungselement und Bohrlochinnenwand einen Druckverschluß, so daß aufgrund der extrem hohen Temperaturgradienten im Gestein und des erzeugten Druckes automatisch ein Aufreißen des Gesteinsmateriales erfolgt, wobei vor allem die leichtere Abraumschmelze in das Umgebungsgestein verpreßt wird.

Der Schwund an Metallschmelze, der sich durch die Verpressung und die Erstarrung ergibt, kann am Bohrungsanfang, am ersten Leitungselement durch eine Nachführung von Metallschmelze kompensiert werden. Diese Nachführung kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen, da das Volumen der auf dem Bohrlochgrund aufstehenden Schmelzesäule als Vorrat wirkt.

Insofern ist es erfindungsgemäß möglich, in einem kontinuierlichen Bohrvorgang durch Gesteinschmelzeverpressung ein formstabiles verschaltes, insbesondere metallguß­ verschaltes Bohrloch herzustellen, welches große Durchmesser, z. B. von mehr als 1 Meter und im wesentlichen beliebige Profile aufweisen kann, wobei aufgrund der automatischen Metallgußverschalung dieses Bohrloch ohne weitere Nachbearbeitung seiner Nutzungsbestimmung zugeführt werden kann. Hierbei kann die Bohrung nicht nur senkrecht, sondern auch horizontal sowie unter anderen Winkeln zur Erdoberfläche erfolgen, so daß Bohrungen für die unterschiedlichsten Verwendungszwecke wie z. B. Geotherm-Kraftwerke, Versorgungsleitungen oder Tunnel erstellt werden können.

Dies bedeutet, daß in dem erfindungsgemäßen Metallschmelze­ bohrverfahren in einem einzigen Arbeitsgang ein Bohrloch erschmolzen, die Bohrlochschmelze ins Seitengestein verpreßt und aus der erkalteten Gesteinsschmelze eine druckverpreßte stabile Bohrlochverschalung entsteht, die gleichzeitig noch durch eine nahtlose Metallwandung verrohrt wird.

Vorteilhafterweise eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren somit die Möglichkeit, Bohrlöcher der genannten Dimensionen selbst in Tiefen von über 10 Kilometer in einem Arbeitsgang metallverschalt niederzubringen, ohne die Bohrlochschmelze fördern und Kühlmittel einsetzen zu müssen, wobei mit diesem Verfahren bei Temperaturen von über 3000°C, Gebirgsdrücken von über 1000 bar, Schmelzeschneiddrücken von bis zu 10000 bar oder mehr und mit einem Leitungselementegewicht von über 10000 to am Bohrziel gearbeitet werden kann, was die herkömmliche mechanische Bohrtechnik nicht leistet.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die als Bohrmedium eingesetzte Schmelze magnetische Metalle, wie z. B. Eisen, Kobalt oder Nickel enthält, bzw. vollständig aus einem solchen Metall oder Metall-Legierungen besteht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch mit verschiedenen nichtmagnetischen Metallschmelzen, wie z. B. Kupfer gearbeitet werden, jedoch bietet sich z. B. Eisenschmelze hier in besonderem Maße an, da die Kosten einer derartigen Schmelze gering sind, Eisen leicht verfügbar ist und bei Atmosphärendruck einen hohen Verdampfungspunkt von ca. 3000° C hat.

Durch die Verwendung einer magnetischen Schmelze ergibt sich, wie später erklärt wird, die Möglichkeit die gesamte Bohrvorrichtung elektromagnetisch zu manipulieren bzw. zu steuern.

Da in dem Schmelzbohrverfahren bereits bei Atmosphärendruck mit einer überhitzten Eisenschmelze von ca. 3000° C gearbeitet werden kann, werden an die Leitungselemente, durch die die Eisenschmelze dem Bohrlochgrund zugeführt wird, höchste Materialanforderungen gestellt.

Es wird generell vorgeschlagen, die verschiedenartigsten Bohrvorrichtungen zur Herstellung von Schmelzbohrungen in Gestein, mit denen das abzutragende Gestein aufschmelzbar ist und mittels derer durch die im Schmelzvorgang und/oder in das Bohrloch eingebrachte Schmelze eine aus erstarrter Schmelze gebildete Bohrlochverschalung erstellbar ist, in vorteilhafter Weise derart auszugestalten, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in Kontakt stehenden Flächen der Bohrvorrichtung aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen.

Bei den Bohrvorrichtungen kann es sich nicht nur um die erfindungsgemäße Vorrichtung, sondern um alle Schmelzbohrvorrichtungen handeln, wie sie z. B. aus der US 3 357 505 und insbesondere der DE 25 54 101 bekannt sind.

Hier ist zu beachten, daß unter dem Begriff Schmelze sowohl die bei den herkömmlichen Verfahren entstehende reine Gesteinsschmelze als auch die entsprechend dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren in das Bohrloch eingebrachte Schmelze bzw. die entstehende Misch-Schmelze aus beiden zu verstehen ist.

Dementsprechend werden bevorzugt auch die Leitungselemente, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, derart ausgebildet, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in Kontakt stehenden Flächen aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Leitungselemente insgesamt aus dem bevorzugten Werkstoff gefertigt, da hierdurch eine Verbundkonstruktion und eine übermäßige Komplexität der Einzelkomponenten vermieden wird.

Um eine Haftung zwischen der erstarrten Schmelze und den Elementen von Bohrvorrichtungen und insbesondere der Leitungselemente der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung zu verhindern, ist der Werkstoff z. B. so gewählt, daß sein Reibungskoeffizient kleiner 0,5 ist und der Werkstoff eine geringe Oberflächenspannung aufweist, um zu gewährleisten, daß zwischen Werkstoff und Schmelze keine Benetzung stattfindet.

Als ausgewählte Werkstoffe eignen sich z. B. Graphit oder auch Metallverbundkeramiken.

Graphit kann als Werkstoffmaterial für die Bohrvorrichtung und insbesondere für die Leitungselemente allen geforderten Ansprüchen gerecht werden. So ist Graphit beispielsweise parallel zur Schichtung, ein guter Wärme- und Stromleiter, wirkt aber senkrecht zur Schichtung als Isolator. Graphit kann daher zur thermischen Isolation der Metallschmelze und auch zur Stromleitung eingesetzt werden. Es hat weiterhin eine hohe Festigkeit und eine hohe Gleitfähigkeit, läßt sich wie Metall bearbeiten und ist im Grünzustand maßhaltig vor- und auszuformen.

Ein besonderer Vorteil von Graphit liegt weiterhin darin, daß es sowohl von Metall als auch von den Gesteinsschmelzen, wie gewünscht, nicht benetzt wird und bei Normaldruck in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bis ca. 3000°C temperatur­ beständig ist. Darüber hinaus zeichnet sich Graphit dadurch aus, daß dessen Festigkeit mit steigender Temperatur ebenfalls zunimmt, wobei die Zug- bzw. Druckfestigkeit bei etwa 2500°C ihr Maximum von etwa 100 bzw. 400 MPa erreicht.

Da Graphit jedoch unter Sauerstoffatmosphäre ab ca. 400°C oxidiert, d. h. verbrennt, wird das Bohrverfahren bevorzugt unter Schutzgasatmospäre durchgeführt, bzw. zumindest begonnen. Bei dem Schutzgas handelt es sich bevorzugt um Argon, welches aufgrund seiner hohen Dichte nicht von selbst aus dem Bohrloch entweicht. Mit fortschreitendem Bohrfortschritt unterliegen die Graphitelemente nicht mehr eiher Sauerstoffatmosphäre, so daß die Schutzgasversorgung eingestellt werden kann.

Unter den für das Verfahren eingesetzten Leitungselementen sind im wesentlichen einzelne Zylinderstücke, insbesondere aus dem genannten Graphit zu verstehen, die eine zentrale Bohrung aufweisen.

Die einzelnen Zylinderstücke, bei denen das Verhältnis von Außen-Durchmesser zu Innen-Durchmesser groß, und insbesondere größer als 10 zu 1 ist, können miteinander verbunden werden, so daß ein Graphitrohrstrang ausbildbar ist, der im erfindungsgemäßen Schmelzbohrverfahren sowohl die Funktion von Schmelzbohrkopf, Bohrgeräterumpf und Versorgungs- sowie Druckgestänge übernimmt.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, daß aufgrund des Metallgehalte s gemäß der Erfindung die Schmelze zusätzlich durch Strom geheizt werden kann, um zu gewährleisten, daß die Schmelze im erhitzen flüssigen Zustand den Bohrlochgrund erreicht.

Hierbei kann z. B. eine Eisenschmelze als elektrisch leitende Flüssigkeit sowohl die Funktion des Energietransports zum aufzuschmelzenden Gestein als auch die Funktion des Stromleiters übernehmen.

Der Stromfluß kann hier bei einem obersten Leitungselement, d. h. am Bohrungsanfang durch die in den Leitungselementen geführte Metallschmelze, über die am Bohrlochgrund vorliegende Metallschmelze zurück über die äußere erstarrte metallische Bohrlochverschalung geschlossen werden. Es ist ebenfalls möglich, den Strom durch den Graphitrohrstrang bis zur Schmelze über dem Bohrlochgrund zu führen.

Der Strom zur Heizung der Metallschmelze kann hierbei direkt oder induktiv in die Schmelze eingekoppelt werden.

Mit fortschreitender Bohrtiefe ist es vorgesehen, daß am Bohrungsanfang weitere Leitungselemente, also z. B. weitere Graphitzylinder am jeweils vorherigen Element befestigt werden.

Somit ergibt sich im Endeffekt ein Leitungsstrang aus Graphitrohr, welcher sich über die gesamte Tiefe der Bohrung erstreckt. Aufgrund der geringeren Dichte von Graphit gegenüber der Metallschmelze schwimmt der Graphitrohrstrang zunächst auf der Schmelze auf und gleitet unter Nachführung von Metallschmelze und Abtragung des Bohrgrundes der Tiefe entgegen. Letzlich ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen dem zur Schmelzeverpressung nötigen Preßdruck und dem in der Schmelze herrschenden Druck aufgrund der Gewichtskraft des aufstehenden Graphitrohrs und der Schmelzesäule.

Die Dicke des Schmelzekissens unter dem Graphitrohrstrang beträgt hierbei etwa 10 cm. Die Bohrgeschwindigkeit liegt bei etwa 5 mm pro Sekunde, wobei zu beachten ist, daß die Bohrung erfindungsgemäß ohne einen Bohrkopfwechsel, ohne Kühlung und ohne Förderung von Abraum erfolgt.

Ein Bohrkopfwechsel erübrigt sich schon deswegen, weil die aus Graphit bestehenden Leitungselemente mechanisch identisch sein können, so daß ein eventueller Abbrand am untersten Element nicht nachteilig ist. Jedoch sollte hierbei darauf geachtet werden, daß das einem eventuellen Abbrand ausgesetzte jeweils unterste Leitungselement in der Umgebung der Abbrandzone keine elektrischen Elemente aufweist, deren Abbrand zur Zerstörung oder Fehlfunktion führt.

Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Gedankens ist es, daß zwischen der erstarrten Metallguß-Bohrlochverschalung und der Außenseite der aus Graphit bestehenden Leitungselemente aufgrund der außergewöhnlichen Materialeigenschaften des Graphits keine behindernde Haftung entsteht, so daß der Graphitrohrstrang tatsächlich ohne wesentliche Reibungsverluste in die Tiefe gleiten kann und später genauso leicht zu heben ist.

Dies ergibt sich durch die geringe Oberflächenspannung gegenüber der Schmelze und die geringen Reibungskoeffizienten von Graphit, die sogar mit zunehmender Temperatur kleiner werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die einzelnen Leitungselemente in ihrer insbesondere dick ausgestalteten Wandung ansteuerbare Magnetvorrichtungen aufweisen, durch die die Leitungselemente in der erstarrten metallischen Bohrlochverschalung, die in bevorzugter Weise aus Eisen besteht, wie ein Magnetgleiter geführt und/oder gehalten werden können.

Um zu gewährleisten, daß die einzelnen Elektromagnete von außerhalb des Bohrloches angesteuert werden können, weisen die einzelnen Leitungselemente interne Steuerleitungen und untereinander entsprechende Kontaktstellen auf, über die die Magnetvorrichtungen über den gesamten Leitungsstrang hinweg mit Steuersignalen versorgt werden können.

Durch diese Ausführung ist es möglich, zwischen der metallischen Bohrlochverschalung und den genannten Magnetvorrichtungen ein magnetisches Wanderfeld zu realisieren, so daß der Graphitrohrstrang durch entsprechende Ansteuerung der Magnetvorrichtungen im Bohrloch wie ein Magnetgleiter auf- und abgefahren werden kann. Dies ermöglicht es insbesondere, die Druckverhältnisse am Bohrlochgrund zu beeinflussen und den Graphitrohrstrang am Ende des Bohrvorhabens wiederum zu heben.

Es können somit in Verbindung mit der magnetischen Bohrlochverschalung durch elektromagnetische Ansteuerung Zug-, Halte- oder Druckkräfte auf die Leitungselemente ausgeübt werden. Die in der Tiefe wirkende Gewichtskraft der Leitungselemente ist daher manipulierbar, so daß auch die . Dicke des Schmelzekissens, auf dem die Leitungselemente schwimmen einstellbar ist.

Die spätere Hebung kann noch dadurch erleichtert werden, daß das fertiggestellte Bohrloch unterstützend mit insbesondere druckbeaufschlagtem Wasser geflutet wird, wobei im Falle von beabsichtigtem Fluidmining oder Energiemining der untere Produktionsbereich eines derartigen Bohrloches unverrohrt bleibt und die steinschmelzeverglaste Bohrlochwandung unter dem Förderdruck des Wassers aufgebrochen und die Fluide oder Hochtemperatur-Geothermwasser freigesetzt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es zusätzlich vorgesehen, innerhalb der Wandung der Leitungselemente weitere ansteuerbare Magnetvorrichtungen einzusetzen, die für die zuzuführende Metallschmelze als Ventil wirken, so daß der Fluß der Metallschmelze im Inneren der Leitungselemente beeinflußt werden kann.

Durch diese erfindungsgemäße Installation der Ventile (Magnetventile) ist es möglich, daß in jedem Leitungselement durch Verriegelung des Magnetventiles ein Teil des gesamten auf dem Bohrlochgrund aufstehenden Metallschmelzestranges getragen wird, so daß das zunehmende Gewicht des Metallschmelzestranges auf mehrere Haltepunkte verteilt werden kann, die sich dadurch ergeben, daß die einzelnen Leitungselemente des Graphitrohrstranges mit den Halte- /Führungsmagneten in der Gußeisenverschalung des Bohrloches festgehalten werden.

Somit ist es möglich, den Gewichtsdruck der Metallschmelzesäule zu variieren. Es kann so beispielsweise durch die gezielte Öffnung der Magnetventile eine vordefinierte Menge an Metallschmelze dem Bohrlochgrund zugeführt werden oder aber durch gleichzeitige Öffnung aller Magnetventile impulsartig die gesamte Gewichtskraft des Metallschmelze-Stranges im Bohrlochgrund zur Wirkung kommen.

In 10000 m Tiefe beträgt dabei der Druck der Eisenschmelze­ säule bereits über 7000 bar.

Durch impulsartige Ansteuerung der Ventile kann in der Schmelze über dem Bohrlochgrund eine Vibration erzeugt werden, die einen Saugeffekt hervorruft, dadurch den Bohrlochgrund von geschmolzenem Gestein befreit und so den Bohrfortschritt erhöht.

Die erfindungsgemäßen Magnetvorrichtungen zur Ausbildung von Halte/Führungsmagneten bzw. Magnetventilen oder auch anderer Steuereinrichtungen, deren Wirkungen auf magnetischen Kräften beruhen, können z. B. aus in isolierenden Graphit eingelassenen leitenden Graphitspulen bestehen. Ebenso ist es denkbar, die Vorrichtungen aus in spulenförmigen Graphitkanälen fließende Metallschmelze zu bilden. Hierbei können die Kanäle in den aus Graphit bestehenden Leitungselementen ausgebildet sein.

Um das erfindungsgemäße Schmelzbohrverfahren in Gang zu setzen, ist es vorteilhaft wenn der Schmelzbohrvorgang in einer schutzgasgefüllten Vorbohrung beginnt, die mit einem Metallrohr ausgekleidet ist, welches an der Oberfläche, insbesondere in einer Stahlbetondecke verankert ist. Diese stahlverrohrte Vorbohrung sollte eine Tiefe von etwa 30 bis 50 Meter aufweisen, wobei mindestens der untere Meter von Metallverrohrung freibleiben sollte.

Weiterhin ist es nötig an der Bohroberfläche, Stromaggregate, eine Metallschmelzanlage mit Füllautomaten sowie eine Vorrichtung zur Befestigung der einzelnen Leitungselemente untereinander vorzusehen. Weitere Vorrichtungen, wie z. B. überdimensionale Bohrtürme oder hydraulische Druck- und Hebeanlagen sind bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren nicht nötig.

Es ist darauf zu achten, daß die Stahlbetondecke entsprechend dick ausgelegt ist und das Bohrloch großflächig umgibt, damit beim Start des Metallschmelze-Bohrvorgangs und bei der einsetzenden Verpreßung der Gesteinsschmelze und eventueller Metallschmelzeanteile in das umliegende Gestein ein Durchbruch der Schmelze zur Oberfläche hin verhindert wird.

Da üblicherweise schon im Gestein Risse vorhanden sind, bedarf es nur einiger 10 bar Druck, um die vorhandenen Risse weiter zu erweitern und eine Verpreßung zu ermöglichen. Dies bedeutet, daß die genannte Tiefe von etwa 30 bis 50 Meter einer konventionellen Vorbohrung ausreicht, um das erfindungsgemäße Metallschmelzverfahren zu starten.

Zu Beginn der Bohrung wird in die metallisch ausgeschalte Vorbohrung das erste Leitungselement abgesenkt, welches mittels einer Manipulatorvorrichtung und/oder mit Hilfe der in den Elementen angeordneten Führungs-/Haltemagnete erfolgt. Nach entsprechender Montage mehrerer Leitungselemente, die bis dicht vor den Bohrlochgrund vorstoßen, wird die Metallschmelze in das Innere der Leitung eingefüllt, bis die Metallschmelze zwischen den in das Bohrloch eingesetzten Leitungselementen und der Innenwand der konventionellen Vorbohrung bis zum Rand der Metallrohrausschalung emporsteigt. Dort verbindet sie sich mit dieser durch Verschweißung. Der Durchmesser des Graphitrohrstranges ist dabei so zu bemessen, daß die Außenseite der Leitungselemente und die Innenseite des Metallrohres im erhitzten Zustand schlüssig aneinanderliegen, um ein Durchdringen der flüssigen Metallschmelze zu verhindern.

Hierdurch bildet sich ein Druckverschluß, so daß der Schmelzbohrvorgang gestartet werden kann. Darüber hinaus wird auch durch die Verbindung zwischen dem Metallschmelzestrang bzw. dem Graphitrohrstrang und dem in die Vorbohrung eingesetzten Metallrohr der Stromkreislauf zur unterstützenden Heizung der Metallschmelze geschlossen. Zur Optimierung der Abtragung von Gestein am Bohrlochgrund ist es vorteilhaft, daß das unterste als Bohrkopf wirkende Leitungselement wenigstens eine Magnetpumpen-/- düsenanordnung aufweist, mittels derer die Metallschmelze in Form wenigstens eines Schmelzestrahles auf den Bohrlochgrund geschossen werden kann.

Durch weitere vorgesehene Induktionsspulen, die durch die fließenden Metallschmelze selbst gebildet sein können (entsprechende spulenförmige Flußkanäle im Bohrkopf), ist es möglich, den Schmelzestrahl derart zu überhitzen, daß sich ein Strahl außerordentlich hoher Temperatur von mehreren tausend Grad oder ein Plasmastrahl ergibt, mit dem sich ein außerordentlicher Bohrfortschritt erreichen läßt.

Dieser überhitzte Schmelze- bzw. Plasmastrahl erzeugt beim Eindringen in die Schmelze eine lokale Überhitzung, insbesondere im mittleren Bereich, so daß dort der Gesteinsabtrag optimiert wird.

Durch die Ausbildung wenigstens eines Schmelzestrahles, der bevorzugterweise mittels einer im untersten Leitungselement vorgesehenen Magnetspulenanordnung ausrichtbar ist, besteht weiterhin die Möglichkeit, einer ungleichmäßigen Gesteinsabtragung am Bohrlochgrund entgegenzuwirken, die sich durch verschiedene Gesteinsarten/Gesteinsanisotropie ergeben kann. Hierzu wird der Schmelzestrahl auf die Stellen im Bohrlochgrund gerichtet, bei denen der Abtrag am geringsten ist.

Über den ungleichmäßigen Gesteinsabtrag im Bohrlochgrund kann man sich derart ein Bild machen, daß elektrische Impulse z. B. über die Schmelzesäule und/oder den Graphitrohrstrang bis zum Bohrlochgrund gesendet und die Laufzeit der von dort reflektierten Impulse gemessen werden. Über die Fläche der Schmelzesäule/des Graphitrohres und die Laufzeit der Impulse läßt sich so eine topografische Aufnahme des Bohrlochgrundes erstellen, auswerten und eine Steuerung des Schmelzestrahles erreichen.

Je nach Ausrichtung des Schmelzestrahls erfolgt in vorteilhafter Weise im Bereich um den Strahl herum eine erhöhte Gesteinsabtragung, so daß sich ein in Strahlrichtung kegelförmiger Bohrlochgrund ergibt, wodurch die gesamte Angriffsfläche für die heiße Metallschmelze erhöht wird und eine größere Gesamt-Abtragrate realisierbar ist.

Die hier erwähnten Magnetanordnungen sind durch in den Leitungselementen integrierte Steuerleitungen ansteuerbar, wobei sich weiterhin vorteilhaft bemerkbar macht, daß diese Magnetanordnungen verschleißfrei arbeiten.

Um unterhalb der im untersten Leitungselement (Bohrkopf) integrierten Magnetspulenanordnung eine freie Beweglichkeit des Metallschmelzestrahles zu gewährleisten, ist es sinnvoll, im Bohrkopf eine insbesondere zentral angeordnete trichterförmige Ausnehmung auszubilden, innerhalb der der Schmelzestrahl z. B. um bis zu 60 Grad in alle Richtungen gegenüber der Metallschmelzesäule verschwenkt werden kann.

Der Bohrvorgang kann vorteilhafterweise auch dadurch optimiert werden, daß die Schmelze über dem Bohrlochgrund in Rotation versetzt wird, so daß die gegenüber der Metallschmelze leichtere Gesteinsschmelze nach oben und durch die Fliehkraft nach außen gefördert und in den Rissen verpreßt wird.

Die Rotation der Schmelze kann dabei durch die Magnetanordnung bewirkt werden, die auch die Schmelzestrahlen ablenkt. Die Rotationsachse der Schmelze ist dabei durch den Schmelzestrahl gegeben, so daß auch die Rotationsachse der Schmelze einstellbar ist.

Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens im unteren, über die gesamte Länge des Elements verteilt, bevorzugt aber in mehreren der unteren Leitungselementen in identischer Weise auf die Schmelze wirkende Steuerelemente vorgesehen sind, die eine Rotation der Schmelze bzw. eine Ausrichtung der Strahlen bewirken. In diesem Fall ist ein Abbrand der Leitungselemente unschädlich und wirkt sich nicht auf die Steuerung der Schmelze(-strahlen) aus.

So kann z. B. zum Einbringen einer 10 km tiefen Bohrung ein unterer Bereich von identischen Leitungselemente über eine Länge von 100 m verwendet werden, so daß selbst bei großem Abbrand am Ende der tiefen Bohrung noch ein ansteuerbares Leitungselement den Bohrkopf bildet.

Als eine einfache Ausführung kann es sich bei den Steuerelementen um wenigstens drei mit der Schmelze in Kontakt stehende Stromleiter handeln, die in den Leitungselementen eingelassen sind. Durch Ansteuerung dieser Leiter mit Mehrphasenstrom kann eine Schmelzerotation erreicht werden. Durch unterschiedliche Stromstärken an den Phasen wird die Rotationsachse der rotierenden Schmelze schwenkbar, insbesondere um etwa bis zu 60°.

Ebenso ist es möglich die Steuerelemente, wie schon früher erwähnt, durch Graphitspulen oder in Kanälen fließende Schmelze zu bilden.

Eventuell mitverpreßte Metallschmelzeanteile sind dadurch rückgewinnbar, daß auch diese Schmelzeanteile durch den Stromfluß heizbar sind, wodurch die Schmelzeanteile flüssig bleiben und durch die Schwerkraft wieder in Richtung Bohrlochgrund zurücksinken.

Eine Rückgewinnung der Metallschmelzeanteile aus den Gesteinsrissen wird auch noch dadurch begünstigt, daß durch die in den Leitungselementen angeordneten Magnete eine Anziehungskraft auf die verpreßten Metallschmelzeanteile ausgeübt werden kann.

Unter dem Einfluß der magnetischen Anziehungskräfte wird dabei die Ausbildung einer reinen Metallverschalung des Bohrloches begünstigt.

Durch die Beeinflussung dieser Anziehungskräfte ist es ebenso möglich, gezielt ein Bohrloch ohne Verschalung herzustellen. Hierzu werden beim Bohrvorgang die die Anziehungskraft bewirkenden Magnetvorrichtungen abgeschaltet, so daß die leichtere Gesteinsschmelze immer auf der Metallschmelze aufschwimmt und erstarrt ohne durch die Anziehungskraft weggedrückt zu werden.

Dementsprechend wird sich so eine Verschalung aus reinem Gestein ausbilden.

Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt.

Die Vorbohrung mit Einbringung und Verankerung eines dickwandigen Metallrohrs (3), z. B. aus Stahl, im Untergrund sichert den Start des Metallschmelze-Bohrverfahrens ohne zusätzliche Kühlung.

Ein Rohrstrang (1) aus mehreren Leitungselementen (9), die vollständig aus Graphit bestehen, wird über einen Hydraulikautomaten (Manipulator) mit dem Bohrkopfelement (18) zuerst, elementweise aus den einzelenen Leitungselementen (9) zusammengesetzt.

(Der Übersicht wegen sind in der Schemazeichnung Oberflächen­ vorrichtungen wie Manipulator, Metallschmelzeanlage mit Fülleinrichtung und Stromaggregate mit Stromanschlüsse nicht dargestellt).

Sobald der Graphitrohrstrang (1) mit seinen Elementen (9) in das schutzgasgefüllte Metallrohr (3) der Vorbohrung gleitet, übernehmen die Führ- und Haltemagnete (8) den weiteren Vortrieb des Graphitrohrstrangs (1). Ist das Ende der Vorbohrungsverrohrung (3) erreicht und das Bohrkopfelement (18) eine Handbreit vor dem Bohrlochgrund angelangt, kann der Metallschmelze-Bohrvorgang durch das Einfüllen z. B. von Eisenschmelze beginnen und kontinuierlich bis zum Bohrziel fortgesetzt werden, während die Eisenschmelzezuführung wegen des Schmelzevorrats im Metallschmelzestrang (2) diskontinuierlich erfolgen kann, so daß zwischenzeitlich die elementweise Verlängerung des Graphitrohrstrangs (1) durch den Manipulator an der Oberfläche ausgeführt werden kann.

Durch Aktivierung mindestens einer Magnetpumpe (4) und Magnetdüse (5) wird eine definierte Menge der bereits überhitzten Eisenschmelze des Metallschmelzestrangs (2) durch Magnetkraft komprimiert, weiter überhitzt und unter hohem Druck durch die Magnetdüse (5) gepreßt und als Schmelze- oder Plasma-Strahl auf den Bohrlochgrund (19) geschossen, wobei durch die schnelle Abfolge des Vorgangs ein Impulsstrahl entsteht, wodurch die Abschmelz- und Abtragwirkung noch verstärkt wird.

Um einen gleichmäßigen Abtrag am Bohrlochgrund zu gewährleisten wird der Eisenschmelzestrahl durch mindestens drei Drehmagnete (6) wie ein Kegel (14) in der Funktion eines "Fluidrollenmeißels" um die Achse des Schmelze-Strahles (15) gedreht, wobei der Kegel durch Magnetkraft im Winkel um etwa 60 Grad in alle Richtungen schwenkbar ist. Da der Schmelze- Strahl durch die auf ihn wirkende Magnetkraft jeden Schwenk automatisch mitmacht ist ein gleichmäßiger Abtrag des Gesteins vor dem Bohrkopfelement (18) des Graphitrohrstrangs (1) gesichert.

Die Steuerung des Metallschmelzekegels (14) erfolgt über in den Leitungselementen vorgesehene Steuerleitungen von der Oberfläche aus.

Die Eisenschmelze und die freigesetzte Gesteinsschmelze füllen den verfügbaren Raum um das Bohrkopfelement (18) des Graphitrohrstrangs (1) unter Druckanstieg in der Schmelze. Ein Teil der Eisenschmelze wird oberhalb des Bohrkopfelementes (18) von den Haltemagneten (8) um den Graphitrohrstrang (1) in einer gewünschten Stärke, wie beispielsweise die des Metallrohrs der Vorbohrung, konzentriert und zu einer einheitlichen Gußeisenverrohrung (11) im kontinuierlich fortschreitenden Schmelzbohrverfahren ausgebildet.

Bedingt durch die Dichte der Eisenschmelze treibt die leichtere Gesteinsschmelze auf und wird unter dem Druck der eingepumpten Schmelze bzw. unter dem Druck des vorrückenden Graphitrohrstrang (1) wegen der Gesteinsaufspaltung ins Seitengestein verpreßt. Mitverpreßte Eisenschmelze unterliegt der Aufheizung mittels Stromdurchfluß und fließt beim Vorrücken des Graphitrohrstrangs (1) aufgrund der Schwerkraft wieder in die tieferliegende Schmelzzone um den Schmelzekegel (14) zurück.

Die Bohrfortschrittgeschwindigkeit erhöht sich mit der Temperatur- und der relativen Druckerhöhung im Schmelze- Strahl gegenüber der Umgebungsschmelze und seiner Impulsfolge (Saugeffekt) sowie mit der Umlaufgeschwindigkeit des Schmelzestrahles bzw. der Umlaufgeschwindigkeit der rotierenden Schmelze.

Mit zunehmender Bohrtiefe nimmt das Eigengewicht des Graphitrohrstrangs (1) samt Metallschmelzestrang zu, bis dessen Gewicht und der für die Schmelzeverpressung notwendige Druck in der Schmelzzone im Gleichgewicht sind und der Graphitrohrstrang (1) wie auf einem Schmelzekissen gleitet. Zur Aufrechterhaltung dieses Zustands sorgen die in jedem Graphitrohrstrangelement installierten Magnetventile (7), die jedes für sich einen Teil des Metallschmelzestrangs tragen, so daß das zunehmende Gewicht des Metallschmelzestrangs bei zunehmender Tiefe sich auf viele Haltepunkte verteilt. Das gleiche gilt für die Haltemagnete (8) im Außenbereich des Graphitrohrstrangs, die sich mit magnetischer Kraft an der Gußeisenverschalung (11) des Bohrlochs halten.

Ist ein ausreichender Gewichtsdruck im Metallschmelzestrang (2) aufgebaut, kann dieser hydraulische Druck in Kombination mit Magnetpumpe (4) und Magnetdüse (5) zur Bildung des Schmelze-Strahls (15) genutzt werden, indem impulsmäßig alle Magnetventile (7) gleichzeitig öffnen und eine kleine konkrete Menge Eisenschmelze freisetzen. In 10000 m beträgt der Druck einer Eisenschmelzesäule bereits über 7000 bar, wenn alle Magnetventile (7) gleichzeitig öffnen.

Nach Freipumpen des Metallschmelzestrangs (2) und Erreichen des Bohrziels wird der Graphitrohrstrang (1) mit Hilfe der Halte- und Führmagnete (8) wieder gleitend zurückgeführt und der Graphitrohrstrang elementweise demontiert. Hierzu kann das Bohrloch unterstützend mit druckbeaufschlagtem Wasser geflutet werden.

Claims (30)

1. Schmelzbohrverfahren zur Einbringung maßhaltiger Bohrungen, insbesondere von großem Durchmesser, in Gestein, bei dem die Abraumschmelze in das durch Temperatur- und Druckeinwirkung aufgerissene Umgebungsgestein verpreßt wird und bei dem während des Bohrens durch erstarrende Schmelze eine Bohrlochverschalung erstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrmedium eine Metall enthaltende Schmelze durch Leitungselemente dem durch Aufschmelzung abzutragenden Bohrlochgrund zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem untersten Leitungselement über dem Bohrlochgrund austretende Metall enthaltende Schmelze zwischen die Außenseite der Leitungselemente und die Bohrlochinnenwand geführt wird und dort erstarrt.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erstarrte Schmelze einen Druckverschluß bildet.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall enthaltende Schmelze durch Strom geheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch die in der Leitung geführte Schmelze und die erstarrte Bohrlochverschalung geschlossen ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Bohrfortschritt am Bohrungsanfang weitere Leitungselemente am jeweils vorherigen Element befestigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Verpressung und Erstarrung entstandene Schwund an Metall enthaltender Schmelze am Bohrungsanfang durch Schmelzenachführung kompensiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbohrvorgang in einer Vorbohrung beginnt, die mit einem Metallrohr ausgekleidet ist, welches an der Oberfläche, insbesondere in einer Stahlbetondecke verankert ist.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbohrvorgang unter Schutzgasatmosphäre begonnen wird.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungselemente bis kurz über den Bohrgrund in das Metallrohr abgesenkt werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung der Leitungselemente mittels einer Manipulatorvorrichtung und/oder mit Hilfe der in den Elementen angeordneten Führungs-/Haltemagnete erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur vereinfachten Rückgewinnung (Hebung) der Leitungselemente das Bohrloch insbesondere mit Druckwasser geflutet wird.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Leitungselement wenigstens eine Magnetpumpen-/-düsenanordnung aufweist, mittels derer die Metallschmelze in Form wenigstens eines Schmelze-/Plasmastrahles auf den Bohrlochgrund geschossen wird.

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das unterste Leitungselement mindestens eine Steueranordnung aufweist, über die die Schmelze-/Plasmastrahlen ausgerichtet werden und/oder mittels der die über dem Bohrgrund befindliche Metallschmelze in Drehung versetzt wird.

15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrahl insbesondere mittels einer Induktionsspulenanordnung weiter erhitzt wird und einen Plasmastrahl bildet.

16. Metall enthaltende Schmelze zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze magnetische Metalle, insbesondere Eisen, enthält oder insgesamt aus diesen Metallen besteht.

17. Bohrvorrichtung zur Herstellung von Schmelzbohrungen in Gestein, von insbesondere großem Durchmesser, mit der das abzutragende Gestein aufschmelzbar ist und mittels der durch die im Schmelzvorgang entstandene und/oder in das Bohrloch eingebrachte Schmelze eine aus erstarrter Schmelze gebildete Bohrlochverschalung erstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in Kontakt stehenden Flächen der Bohrvorrichtung aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen.

18. Bohrvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren miteinander verbundenen Leitungselemente besteht, durch die als Bohrmedium eine Metall enthaltende flüssige Schmelze dem Bohrlochgrund zuführbar ist.

19. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in Kontakt stehenden Flächen der Leitungselemente aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen.

20. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungselement insgesamt aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff besteht.

21. Werkstoff zur Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff einen geringen Reibungskoeffizient von insbesondere kleiner 0,5 und eine geringe Oberflächenspannung aufweist.

22. Werkstoff zur Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Werkstoff um Graphit oder um eine Metallverbundkeramik handelt.

23. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungselement einem Zylinderstück mit einer zentralen Bohrung entspricht.

24. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Leitungselements groß, insbesondere größer 10 : 1 ist.

25. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung eines Leitungselements ansteuerbare Magnetvorrichtungen angeordnet sind, die in Verbindung mit der metallischen Bohrlochverschalung als Halte- und/oder Führungsmagneten einsetzbar sind.

26. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung eines Leitungselements Magnetvorrichtungen angeordnet sind, die für die zu führende Schmelze als Ventil einsetzbar sind.

27. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Leitungselement den Bohrkopf bildet und eine insbesondere zentral angeordnete trichterförmige Ausnehmung aufweist.

28. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das unterste Leitungselement wenigstens eine Magnetanordnung aufweist, die eine Pumpe bilden zur Förderung der Schmelze und insbesondere zur Ausbildung wenigstens eines ausrichtbaren Schmelzestrahles.

29. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens im untersten Leitungselement Steuerelemente vorgesehen sind, durch die die Schmelze in Rotation versetzbar und/oder schwenkbar ist bzw. die Schmelze-/Plasmastrahlen ausrichtbar sind.

30. Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente aus wenigstens 3 mit der Schmelze in Kontakt stehenden Stromleitern bestehen.