DE2350422C3 - Verfahren zur Herstellung von Bohrungen im Erdreich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bohrungen im Erdreich durch einer* gasdynamischen, raketenartigen, kontinuierlich aus einer Strahlenquelle ausströmenden Strahl, wobei die Strahlenquelle gegenüber dem Erdreich schwebend gehalten und mit fortschreitender Vertiefung des Erdreiches diesem nachgeführt wird.

Die Erfindung kann in der Geologie, im Bauwesen, in der Landwirtschaft und auf anderen Gebieten eine breite Anwendung finden, wo ein Schnellvortrieb der Bohrungen erforderlich ist. Sehr vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise angewendet werden beim Bohren von Kartierungs-, Struktur-, Basis-, Untersuchungs- und Aufschlußbohrungen, die bei geologischer Aufnahme, Aufschluß jnd Erkundung von Lagerstätten nutzbarer Mineralien niedergebracht werden, bei Förderbohrungen zur Gewinnung nutzbarer Mineralien, bei Schürflöchern zum Studium der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Gesteinen und bei hydrologischen Bohrungen zur Untersuchung der Qualität und Ergiebigkeit von Grundwässern. Außerdem kann das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Tiefbrunnen zur Verminderung des Grundwasserdruckes oder Wasserzufluss beim Schachtabteufen, von Wasserabzugsbohrungen zum Wasserauslaß aus wasserführenden Horizonten und von Wetterbohrlöchern. Luftzuführurigsbohrungen zur Luftzufuhr in den Feuerort bei der Untertagevergasung von Kohlen und Zutageförderung von Brenngas angewendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Bildung von Bohrungen spezieller

4c Zweckbestimmung, beispielsweise für die Zuführung von Materialien beim Löschen von Grubenbränden, für das Hinablassen von Kraftstromkabeln, von Wasser- und Luftleitungen in Grubenbaue, für die Zuführung von Luft und Nahrung sowie für die Seilfahrt beim Havarieausfall von Schächten und zur Bildung von unterirdischen Gas- und Erdöllagern in Anwendung gebracht werden. In der Landwirtschaft kann dieses Verfahren zur Gewinnung von Trink- und Industriewasser sowie zur Melioration und im Bauwesen zum Bohren von Bohrlöchern für Jochpfähle von Brücken, Industrieanlagen und Zivilbauwerken sowie von Sprengschächten und Sprenglöchern Anwendung finden.

Zur Zeit sind eine Vielzahl von verschiedenartigen Verfahren zur Bildung von Aushöhlungen in der

ss Erdoberfläche mit Hilfe eines gesteinszerstörenden Elementes, beispielsweise eines Meißels bekannt, der mit dem zu zerstörenden Gestein in unmittelbaren Kontakt gebracht wird. Zur Durchführung eines derartigen Verfahrens werden in Abhängigkeit von der Festigkeit des Gesteins und des erforderlichen Bohrfortschritts Bohranlagen mit Metallmeißeln oder Meißeln aus einem überharten Material, beispielsweise Diamantmeißel, eingesetzt.

Die Verwendung eines rotierenden Meißels schränkt den größtmöglichen Bohrfortschritt in Gesteinen sogar bei den Meißeln ein. die die höchste Härte aufweisen, wobei bei einer Rotationsgeschwindigkeit von U/min der Bohrfortschritt 40 m/h ausmacht. Die

bekannten Verfahren lassen höchstens eine Vergrößerung des Bohrfortschriites um das 2- bis 3fache zu. Dies setzt den kommerziellen Wert der Bohranlagen herab. Die Vergrößerung des Bohrfortschrittes insbesondere bei Bohrlöchern mit großem Durchmesser führt stets 2ur Vergrößerung der Leistung von Haupt- und Hilfseinrichtungen, was wiederum eine Gewichtszunahme der Einrichtungen zur Folge hat.

Da sämtliche Baugruppen einer Bohranlage aus Metall bestehen, ruft die Steigerung der Leistung eir.e Vergrößerung des Metallbedarfs hervor, wodurch die Bohranlagen wesentlich verteuert -verden. Außerdem setzen große Abmessungen und ein großes Gewicht der Bohranlagen deren Beweglichkeit beträchtlich herab. Die bekannten Verfahren haben schließlich den Nachteil eines verhältnismäßig schnellen Verschleißes des gesteinszerstörenden Werkzeuges, weit mit dem /u /erstörenden Gestein Kraftkontakt besteht.

Somit erlaubt es die Anwendung des oben beschrie benen Verfahrens gegenwärtig nicht, die Leistung der Bohrausrüstungen wesentlich zu steigern.

Vom Anmelder wurde bereits ein grundsätzlich neues, der erfindungsgemaßen Gattung entsprechendes Verfahren zur Herstellung von Bohrungen im Erdreich vorgeschlagen. Bei der tonschreitenden Bewegung im Gestein wurde dabei eine zusätzliche Bombardierung d-jr Sohle mit geringen Sprengstoffladungen vorgesehen Zum Zerstören des Gesteins wurde ein unter einem Druck von 500 bis 2500 al austretender Gasstrahl benutzt. Bei der Bildung \on zum Erdinneren gertchte ten vertikalen Bohrungen gewährleistet dieses Verfahren einen Bohrfortschritt von etwa 1 m/sec. was die zur Zeit erreichbaren Geschwindigkeiten beim Niederbringen von Bohrungen ungefähr um eine Größenordnung übersteigt.

Dieses Verfahren kann jedoch mit Erfolg nur bei der Herstellung von Bohrungen in einer Tiefe bis zu einigen hundert Metern angewendet werden, da beim Niederbringen von größeren Bohrungen die zerstörten Gesteine samt den Gasströmen nicht immer rechtzeitig entfernt werden. Darüber hinaus erschwert die Bomb ■-dierung der Sohle mit Strengstoffen die technische Durchführung dieses Verfahrens. Außerdem besteht dabei auch nicht die Möglichkeit, Bohrungen bei einer Bewegung der Rakete durch das Gestein zur Erdoberfläche sowie horizontale und schräge Bohrungen zu bilden. Schließlich ist bei den angegebenen Drücken der Einsatz von Raketen erschwert, die ein verhältnismäßig geringes Gewicht haben, also von Raketen, deren Gewicht die Schubkraft der Rakete unterschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis der während der Bildung der Bohrung auftretenden Kräfte so zu wählen, daß die Düse der Rakete, die einen auf die Sohle einwirkenden Strahl erzeugt, sich während der Arbeit in einem gewissen, im wesentlichen gleichbleibenden Abstand von der Sohle befindet, und daß dabei die Rakete die Konstanz dieses Abstandes selbst überwacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Erdreich zugewandte Slrahlenaustrittsstel-Ie der Strahlenquelle vor der Zündung des Strahles in einem Abstand vom Erdreich gehalten wird, der nicht kleiner ist als der Abstand, bei welchem nach der Strahlenzündung die Summe der Kräfte aus der Rückstoßkraft des Strahles und dem zwischen der Strahlenquelle und dem Erdreich gebildeten Gegendruck durch die Schwerkraft der Strahlenquelle «useeelichen wird, und daß die Strahlenauelle nach

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6o Zündung des Strahles mit einer die Rückstoßkraft und die Reibungskräfte übersteigenden Kraft gegen das Erdreich hin abgesenkt wird, wobei die Gasmenge des Strahles derart ausgelegt wird, daß das losgelöste Erdreich von dem abströmenden Gas aus der Bohrung ausgetragen wird.

Es ist vorteilhaft, daß der Abstand zwischen der Strahlenquelle und dem Erdreich vor der Zündung des Strahles über vier Durchmesser des Austrittsquerschnittes des Strahls aus der Strahlenquelle gehalten wird.

Zur Erzielung der besten Bedingungen für die Abführung von Abgas und zerstörtem Gestein ist es vorteilhaft, daß der Raum zwischen der Strahlenquelle und der Bohrungswandung auf etwa der Hälfte des größten Durchmessers der Strahlenquelle gehalten wird.

Bei einem geringen Gewicht der Rakete und ihres Brennstoffes gegenüber der Rückstoßkraft des auf i!ie Sohle einwirkenden Strahles ist es vorteilhaft, daß die Strahlenquelle zur Unterstützung ihrer Schwerkraft mit einem zusätzlichen, vom Erdreich weggerichteten gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich geführt wird, welcher zur Erweiterung der Bohrung ausgenutzt wird.

Bei einem großen Gewicht der Rakete und ihres Brennstoffes gegenüber der Rückstoßkraft des auf die Sohl-- einwirkenden Strahles ist es vorteilhaft, daß die Strahlenquelle zur Herabsetzung ihrer gegen das Erdreich gerichteten Kraft mit einem zusätzlichen, gegen das Eidreich gerichteten gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich geführt wird, welcher zur zusätzlichen Abtragung des Erdreiches ausgenutzt wird.

Bei der Herstellung von Bohrungen in Richtung vom Erdinneren zur Erdoberfläche hin ist es vorteilhaft, daß die Strahlenquelle mit einem zusätzlichen gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich gefuhrt wird, der in Schwerkraftrichtung der Strahlenquelle aus dieser austritt und in einer Kraft erzeugt wird, welche die Schwerkraft der Strahlenquelle ausgleicht.

Bei der Herstellung einer horizontalen Bohrung ist es vorteilhaft, daß die Strahlenquelle in Richtung der Vortriebsachse orientiert und geführt wird sowie gegenüber der Bohrungswandung schwebend gehalten ist.

Es ist vorteilhaft, daß ein zusätzlicher gasdynamischer Strahl vorgesehen wird, welcher in Bewegungsrichtung der Strahlenquelle und unter einem Winkel zur Vortriebsachse ausströmt.

Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Rakete zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Austrittsquerschnitt der Düse und der Sohle,

Fig.3 die Stellung c'er Rakete im Bohrloch be fortschreitender Bewegung,

Fig.4 die Stellung der Rakete am Arbeitsbeginr beim horizontalen Vortrieb,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Rakete gemäC Fig. 4.

Theoretisch kann das vorgeschlagene Verfahrer unter Verwendung einer beliebigen zur Zeit bekannter Feststoffrakete durchgeführt werden. Um aber dit besten Arbeitsbedingungen des Verfahrens sicherzu stellen, ist es zweckmäßig, eine Spezialrakete einzuset zen.diein F i g. 1 schematisch dargestellt ist.

Die Rakete 1 besitzt ein Gehäuse 2 mit eine;

Brennkammer 3, in der Brennstoffelemente 4 untergebracht sind, welche nachfolgend der Kürze ha her in einer Reihe von Fällen Brennstoff genannt werden. Die Rakete 1 besitzt ein Arbeitsorgan 5, das mit einer Düse 6 versehen ist. Die Düse 6 ist eine Sohlen-Düse in dem Sinne, daß gerade unter Einwirkung eines aus ihr ausströmenden gasdynamischen Strahls die Zerstörung der Bohrlochsohle erfolgt.

Vor dem Start wird die Rakete 1 in einem gewissen Abstand von der Oberfläche 7 der Sohle angeordnet, beispielsweise so. wie dies in F i g. 1 gezeigt ist. und mit Hilfe von Klemmvorrichtungen 8 festgehalten. Die Düse 6 soll sich in einem solchen Abstand von der Oberfläche 7 der Sohle befinden, bei welchem im Augenblick des Raketenstartes die Summe der an der Sohle angreifenden Kräfte gleich Null wäre. Die Größe »/« kann theoretisch aus folgenden Erwägungen heraus bestimmt werden. Im Augenblick des Starts wirken auf das Arbeitsorgan 5 der Rakete 1 die Kräfte des Gewichts (Pi) der Rakete 1. des Gewichts (Λ) ihres Brennstoffs, der Rückstoßkraft (Pi) des gasdynamischen, aus der Düse der Rakete 1 ausströmenden Strahls, der Kraft (Λ) des Gegendrucks, welcher zwischen dem Bugteil der Rakete und der Sohle entsteht. Demnach soll die Bedingung eingehalten werden:

- P,

Bei dieser Gleichung hängt die Größe der Gegendruckkraft von dem Abstand »/« ab. während die übrigen Größen von der Klasse der Rakete abhängig sind. Unter den Raketen einer Klasse werden Raketen verstanden, die gleiche Schubkraft und gleiches Eigengewicht haben.

Folglich soll zur Einhaltung der Gleichung (1) der Abstand »/« so gewählt werden, daß sich die Düse 6 in einem solchen Abstand von der Oberfläche der Sohle befindet, bei welchem während der Arbeit der Rakete die Summe der Rückstoßkraft des gasdynamischen Strahls und der Kraft des zwischen dem Bugteil der Rakete 1 und der Sohle entstehenden Gegendrucks durch die Kräfte der Bewegung der Rakete zur Oberfläche der Sohle, im vorliegenden Fall durch die Kräfte Pi und Pi ausgeglichen wird. Die theoretische Berechnung der Größe / ist zwar möglich, jedoch sehr schwierig.

Aber in jedem konkreten Fall kann die Größe »A< für Raketen einer vorgegebenen Kiasse experimentell mit Hilfe einer Vorrichtung bestimmt werden, die in F i g. 2 gezeigt ist. Diese Vorrichtung besitzt eine massive, nicht zerstörbare, beispielsweise aus Stahl bestehende Grundplatte 9, auf der ein Metallrohr 10, welches das Bohrloch imitiert, aufgestellt ist, wozu sein Ende einen zylindrischen und einen konischen Abschnitt aufweist

An der Rakete 1 ist ein Stab 11 und am Rohr 10 eine Latte 12 befestigt Die Rakete wird in einem gewissen Abstand von der Grundplatte 9 angeordnet und dann gestartet Nach Einschwenken des Raketentriebwerks in den Auslegungsbetriebszustand, unter welchem ein solcher Betriebszustand verstanden wird, bei dem in einer Sekunde eine berechnete Brennstoffmenge verbrennt wird die Rakete in einer gewissen Stellung stabilisiert Nach der Lage des Stabs 11 in bezug auf die Latte 12 kann man die Entfernung von der Düse 6 der Rakete bis zur Grundfläche 9 bestimmen. Diese Entfernung kann bei der Verwendung von anderen Raketen dieser Klasse als Normalmaß angenommen werden, d. h. als der Abstand, in welchem die Düse der Rakete 1 von der Oberfläche der Sohle angeordnet werden muß. Die durchgeführten Experimente zeigen, daß dieser Abstand mindestens vier Durchmesser des Austrittsquerschnitts der Raketendüse 6 betragen soll. * Auf diese Weise wird sich die Rakete 1 im ersten Augenblick nach dem Start bei der Einhaltung der angegebenen Bedingung im Schwebezustand gegenüber der Sohle befinden. Unter Rinwirkung des gasdynamischen Strahls, der aus der Düse 6 ausströmt

ίο und auf die Sohle einwirkt, erfolgt die Zerstörung des Gesteins und die Ausbildung des Bohrlochs. Betrachten wir den Prozeß der Bohrlochausbildung. Die Bewegung der Rakete 1 in Richtung der Sohle erfolgt, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. beim Niederbringen der Bohrung

is in Richtung zum Erdinneren unter Einwirkung von Kräften, welche die Rakete in Richtung der Sohle pressen, während die Rückstoßkraft des gasdynamischen Strahls bestrebt ist, die Rakete von der Sohle wegzutragen. Somit ist es erforderlich, daß die Kräfte, welche die Rakete 1 an die Sohle anpressen, mindestens gleich, und zur Erzielung des besten Effektes etwas größer als die Rückstoßkraft des gasdynamischen Strahls sind. Diese Anpreßkraft der Rakete 1 an die Sohle ist die Summe der Gewichte /Pi + Pil von Rakete und Brennstoff, welche den Raketenschub übersteigen soll. Selbst wenn das Gewicht der Rakete mit Brennstoff ihre Schubkraft sehr wesentlich übersteigt, steigt der Gegendruck mit der Verringerung des Abstandes zwischen dem Bugteil der Rakete 1 und der Sohle derart bedeutend an, daß ein physikalischer Kontakt der Raketendüse mit der Sohle praktisch unmöglich ist. Es ist in Betracht zu ziehen, daß bei der Gleichheit der Kräfte, welche die Rakete an die Sohle anpressen, und der Rückstoßkraft des gasdynamischen

vs Strahls die Rakete sich zum Erdinneren hin bewegen wird, weil die Zerstörung des Gesteins der Sohle zur

... Zunahme des Abstandes zwischen der Raketendüse und der Sohle führt, was wiederum eine Abnahme der Gegendruckkraft verursacht, wobei die Rakete bestrebt ist, eine Stellung einzunehmen, die der Erfüllung der Gleichung (1) entspricht.

Bei der Bewegung der Rakete im Bohrloch tritt eine Zusatzkraft auf, die die Rakete aus dem Bohrloch auszustoßen sucht. Diese Kraft ensteht durch Kräfte der Reibung am Gehäuse der Rakete 1, durch Gesteinsteilchen und den Abgasstrom des gasdynamischen Strahls.

Daher müssen die Kräfte, welche die Rakete auf die Sohle zu bewegen, im vorliegenden Fall das Gewicht von Rakete und Brennstoff, derart gewählt werden, daß ihre Summe die Summe der Rückstoßkraft und der Kräfte der Reibung am Gehäuse des Aufstroms übersteigt, der Gesteinsteilchen und Abgas enthält, welche in den Zwischenraum zwischen dem Raketengehäuse und der Bohrung gelangen.

Zur Ermöglichung des Normalbetriebs der Rakete im Bohrloch ist es erforderlich, einen Zwischenraum zwischen den Wänden von Rakete und Bohrloch und eine bestimmte Geschwindigkeit des Aufstroms sicherzustellen.

Es wurde nun gefunden, daß zur Ermöglichung der stabilsten Arbeit der Rakete im Bohrloch der Zwischenraum zwischen dem Raketengehäuse und der Bohrlochwand zweckmäßigerweise das 03fache des Raketendurchmessers und mehr beträgt

Die vorläufige Berechnung der Gasmenge im gasdynamischen Strahl zur Gewährleistung der erforderlichen Geschwindigkeit des Aufstroms kann in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Bodens und

der Größe des maximalen Teilchens, das bei der Zerstörung der Sohle anfällt, vorgenommen werden. Es wurde experimentell festgestellt, daß ein qualitätsgerechtes Räumen der Bohrlochsohle und ein schneller Austrag von Teilchen des zerstörten Bodens oder von Brocken bis zu 50 mm im Querschnitt bei einer Geschwindigkeit des Aufstroms von 80 bis 100 m/sec sichergestellt ist. Wenn man berücksichtigt, daß das aus der Düse ausströmende Gas eine Temperatur von etwa 1000°C hat und daß der Bohrfortschritt (etwa 1 m/sec) einen raschen Wärmeaustausch zwischen Gas und Bodenteilchen gewährleistet, nimmt das Gasvolumen unter diesen Verhältnissen schroff ab, was eben bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Aufstroms in Erwägung zu ziehen ist. Für jede Raketenbauart besteht in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs, dem Betriebsdruck in der Brennkammer, dem engsten Düsenquerschnitt und einer Reihe anderer Faktoren eine obere und untere Grenze der Gasleistung in der Sekunde.

Bei der Kenntnis der Bohrlochquerschnittsfläche, der Menge des in der Sekunde ausströmenden Gases sowie des annähernden Gehaltes der festen Fraktion im Abgasstrom, kann die erforderliche Geschwindigkeit Vi des Aufstroms nach der folgenden Formel bestimmt werden:

Q₁ r Q₁

l,

Hierin bedeutet:

Q] Gasvulumen in mVsec bei der sich im Strom

eingestellten mittleren Temperatur,
Qi Volumengehalt des Bodens in einem m³ des

Gases,
F Querschnittsfläche des Bohrlochs in m².

Seinerseits ist

worin bedeutet:

ζλ> die in einer Sekunde bei t = O^CC erzeugte

Gasmenge,
f die Temperatur des Gases im Bohrlochmund in Grad Celsius.

Die Auftriebskraft A des Stroms läßt sich nach der folgenden Formel ermitteln:

A = .,If. |4)

wobei ρ die Dichte des Auf stroms der Gase bedeutet

Die Dichte ρ des Gasstroms wird folgendermaßen ermittelt:

0 = ο- «5,

wobei G die Gewichtsmenge des Gases bedeutet.

Zur Bestimmung der Austraggeschwindigkeit der Teilchen des zerstörten Gesteins ist es notwendig, die Obergeschwindigkeit zu ermitteln, welche die Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit des Stroms und der kritischen Geschwindigkeit für Teilchen ist die ein bestimmtes Gewicht bestimmte Abmessungen (d) und Formen haben. Unter der kritischen Geschwindigkeit ist in diesem Fall eine Geschwindigkeit zu

verstehen, bei der die Teilchen des auszutragenden Gesteins im Gasstrom schwerelos werden.

Die kritische Geschwindigkeit für die Teilchen läßt sich nach folgender Formel bestimmen:

Hierin bedeutet

in V: die Geschwindigkeit des Stroms, bei welcher die

Teilchen schwerelos werden,
C Faktor, der die Form der Teilchen berücksichtigt, >'i Volumengewicht des abzuführenden Gesteins kg/m³,
·/:■ Volumengewicht des Gases kg/m³.

Beispielsweise macht für runde Teilchen C = 3,5 bei

einem Durchmesser von 50 mm, einem Volumengewicht des abzuführenden Gesteins von 2400 kg/m³ und einem Volumengewicht des Gases von 0,5 kg/m³ die kritische Geschwindigkeit der Teilchen 54,5 m/sec aus.

Die tatsächliche Geschwindigkeit Vj des berechneten Teilchens im Bohrloch beträgt

Somit ist die volle Geschwindigkeit des Gasstroms mit einer gewissen Ungenauigkeit

1 β' η η δ"

•ι -" _ν Qi "■= C₁₁ + -,₇3

Die Größe (^beträgt bei der Gasmenge 15 m³bei0°C und der Temperatur des Gasstromes 300⁰C 30^m'. Hierbei ist Vi = 80 m/sec.

Mit Rücksicht darauf beträgt die tatsächliche ;< Geschwindigkeit von maximal großen Gesteinsteilchen in Austragrichtung beim Auswurf aus dem Bohrloch

V₃ = Vi - V₃ = 80 - 54,5 = 25,5 m/sec.

Wie durchgeführte Experimente zeigen, gewährleistet das beschriebene Verfahren bei dieser Geschwindigkeit des Gasstromes ein voüständiges Räumen des Bohrlochs vom zu zerstörenden Gestein mit einer Leistung von etwa einer Tonne in der Sekunde.
Wie bereits angegeben, erfolgt die Bewegung der Rakete 1 in Richtung der Sohle beim Fortschritt in Richtung zum Erdinneren durch das Bohrloch unter Einwirkung von Kräften, welche die Rakete in Richtung der Sohle pressen, dazu dient beim Einsatz der auf F i g. 1 dargestellten Rakete das Gewicht von Rakete

,0 und Brennstoff. Im vorliegenden Fall ist es notwendig, daß die Summe der Gewichte von Rakete und ihrem Brennstoff die Summe der Rückstoßkraft des auf die Sohle einwirkenden gasdynamischen Strahls und der Kräfte der Reibung am Raketengehäuse durch Gesteinsteilchen und den Abgasstrom, welche in den Zwischenraum zwischen dem Raketengehäuse und den Bohrlochwänden gelangen, übersteigt

Somit befindet sich die Rakete während des Fortschritts durch das Bohrloch unter der Wirkung von

G₀ Kräften, die der folgenden Bedingung entsprechen:

P, - P₂-Pi-Pt-P* = 0. (9) Hierin bedeutet

Pi das Gewicht der Rakete, Pl das Gewicht des Brennstoffs, Pi Rückstoßkraft des gasdynamischen Strahls,

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Pi die Kraft des Gegendrucks, der zwischen dem Bugteil der Rakete und der 5iohle entsieht.

FS die Kraft der Reibung am Raketengehäuse durch Gesteinsteilchen und Abgase·.

Bei der Einhaltung dieser Bedingung befindet sich die Rakete 1 im Schwebezustand gegenüber der Sohle und den Bohrlochwänden, und die Zerstörung der Sohle wird, wie bereits vorstehend erwähnt, von dem aus der sohlenseitigen Düse ausströmenden gasdynamischen Strahl zustandegebracht.

Nach Beendigung des Fortschritts durch cie vorgegebene Bohrlochlänge vergrößert man zum Herausnehmen der Rakete die Schubkraft auf einen solchen Wert, daß Pi die Summe Pi und Pi übersteigt, wobei infolgedessen die Rakete sich aus dem Bohrloch bewegt. Man kann auch eine Rakete mit Eüallast eir setzen und nach beendetem Fortschritt diesen Ballast abnehmen, damit P\ + Pi kleiner als Pi wird. In diesem Fall beginnt die Rakete sich ebenfalls aus dem Bohrloch zu bewegen.

Im Falle, wenn das Gewicht der Rakete und ihres Brennstoffs die Schubkraft des Raketer triebwerks beträchtlich unterschreiten, ist eine Zusatzkraft zu erzeugen, die das Anpressen der Rakete ati die Sohle gewährleistet, d.h. Bedingungen zu schaffen, unter :s welchen die Kräfte der Bewegung der Raket;: zur Sohle die Summe der Rückstoßkraft des gasdjnamischen Strahls und der Kräfte der Reibung am Rakei engehäuse durch Gesteinsteilchen und den Abgasstrom übersteigen, welche durch den Zwischenraum zwischen dem Raketengehäuse und den Bohrlochwänden abgehen. Dazu kann eine Rakete verwendet werden, die auf F i g. 3 dargestellt ist. Diese Rakete besitzt ein Gehäuse 2 mit Brennkammer 3, in welcher Brennstoffelemente 4 untergebracht sind. Die Rakete verfügt über ein Arbeitsorgan, das mit einer Düse 6 versehen ist, aus welcher ein auf die Sohle längs der Achse der Raketenbewegung einwirkender gasdynamischer Strahl ausströmt, und über eine Düsenreihe 13. Das Arbeitsorgan kann ebenfalls mehrere Düsen 6 aufweisen, aus denen gasdynamische Strahlen ausströmen, welche unter einem gewissen Winkel in Bewegungsrichtung der Rakete auf die Sohle einwirken, wodurch das Bohrloch im Durchmesser vergrößert werden kann.

Aus den Düsen 13 strömt ein gasdynamischer Strahl ₄s aus. der nach der zur Bewegung der Rakete entgegengesetzten Seite gerichtet ist und eine Rückstoßkraft /Σ Pi 3/ erzeugt, welche die Rakete an die Sohle anpreßt und dadurch gleichsam das Eigengewicht der Rakete vergrößert Überdies gestatten die Düsen es, den Bohrlochdurchmesser zusätzlich zu erweitern, wodurch die Verhältnisse des Fortschritts durch das Bohrloch verbesser* werden.

Demnach ist es bei der Bildung einer Bohrung mit Hilfe einer Rakete, deren Eigengewicht geringer als die Schubkraft ist, notwendig, die folgende Bedingung zu ermöglichen:

f. + Pi +Σ ^Pu · cos .« - P₃ - P₁ = 0.

(10) wobei bedeutet

Σ Pm Rückstoßkraft, die vom Ausströmen der Gase

durch die Düsen 13 herrührt,
\ Winkel, unter welchem das Gas aus den Düsen 13 in bezug auf die Längsachse der Rakete ausströmt.

Beim Fortschritt durch das Bohrloch vom Erdinnern zur Erdoberfläche hin wird die Rakete mit ihrer sohlenseitigen Düse in demselben Abstand von der Sohle angeordnet, wie bei der Bewegung zum Erdinnern hin. Jedoch ist in diesem Falle ein Schub zu erzeugen, der in Richtung der Sohle gerichtet ist. Dieser Schub soll das Eigengewicht der Rakete und ihres Brennstoffs sowie die Kräfte der Reibung am Raketengehäuse durch Abgase und Gestein im Zwischenraum zwischen der Rakete und den Wänden der Bohrung übersteigen.

Bei der Bildung einer vom Erdinneren hinweg gerichteten Bohrung mit Hilfe der Rakete ist die folgende Bedingung sicherzustellen:

Σ'Ίί >Σ^(/' ^{f p}2 *" ^/J* ^f ^> · ^|!l)

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Bildung von horizontalen Bohrungen angewendet werden. In Fig.4 und 5 ist eine Rakete in der Startstellung gezeigt, die zum Vortrieb einer horizontalen Bohrung bestimmt ist.

Diese Rakete besitzt ein Gehäuse 2, ein Arbeitsorgan 5 mit sohlenscitiger Düse 6 und eine Düsengruppe 13. Außerdem sind am Gehäuse Flügel 14 angeordnet, die als Stabilisierungseinrichtung für die horizontale Lage der Rakete vorgesehen sind. Die Rakete wird in der horizontalen Lage dank der Bildung einer Auftriebskraft bei der Einwirkung des Gasstroms auf die Flügel gehalten. Der Start der Rakete erfolgt aus einem Rohr 15. Zu Beginn des Vortriebs wird die Rakete in demselben Abstand »A< wie auch bei jeder anderen Art der Bildung einer Bohrung angeordnet. Nach diesem Verfahren kann man den Fortschritt durch Bohrlöcher geringer Länge gewährleisten. Hierbei ist es notwendig, das folgende Verhältnis der Kräfte bei der im Bohrloch befindlichen Rakete sicherzustellen:

cos,, >

Σ (P,

(12)

Hierbei wird das Gewicht der Rakete und des Brennstoffs im wesentlichen durch die aerodynamische Auftriebskraft ausgeglichen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es, den Bohrfortschritt um einige dutzendmal gegenüber den zur Zeit bekannten Verfahren zu erhöhen und dabei eine hohe Qualität der Bohriochwände zu gewährleisten.

Darüber hinaus vermindert sich dank der Anwendung der Erfindung das Eigengewicht der Bohrausrüstung um Dutzend Male.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Bohrungen im Erdreich durch einen gasdynamischen, raketenarti- > gen. kontinuierlich aus einer Strahlenquelle ausströmenden Strahl, wobei die Strahlenquelle gegenüber dem Erdreich schwebend gehalten und mit fortschreitender Vertiefung des Erdreiches diesem nachgeführt wird, dadurch gekennzeich- ι ο net, daß die dem Erdreich zugewandte Strahlenaustrittsstelle der Strahlenquelle vor der Zündung des Strahles in einem Abstand vom Erdreich gehalten wird, der nicht kleiner ist als der Abstand, bei welchem nach der Strahlenzündung die ι s Summe der Kräfte aus der Rückstoßkraft des Strahles und dem zwischen der Strahlenquelle und de:m Erdreich gebildeten Gegendruck dy.rch die Schwerkraft der Strahlenquelle ausgeglichen wird, und daß die Strahlenquelle nach Zündung des Strahles mit einer die Rückstoßkraft und die Reibungskräfte übersteigenden Kraft gegen das Erdreich hin abgesenkt wird, wobei die Gasmenge des Strahles derart ausgelegt wird, daß das losgelöste Erdreich von dem abströmenden Gas aus ;< der Bohrung ausgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Strahlenquelle und dem Erdreich vor der Zündung des Strahles über vier Durchmesser des Austrittsquer- ^o schnittes des Strahls aus der Strahlenquelle gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Strahlenquelle und der Bohrungswandurig auf etwa der Hälfte des größten Durchmessers der Strahlenquelle gehalten w ird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle· zur Unterstützung ihrer Schwerkraft mit einem zusätzlichen, vom Erdreich weggerichteten gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich geführt wird, welcher zur Erweiterung der Bohrung ausgenutzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Stri hlenquelle zur Herabsetzung ihrer gegen das Erdreich gerichteten Kraft mit einem zusätzlichen, gegen das Erdreich gerichteten gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich geführt wird, welcher zur zusätzlichen Abtragung des Erdreiches ausgenutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von Bohrungen aus dem Erdinneren zur Erdoberfläche hi:., dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle mit einem zusätzlichen gasdynamischen Strahl gegen das Erdreich geführt wird, der in Schwerkraftrichiung der Strahlenquelle aus dieser austritt und in einer Kraft erzeugt wird, welche die Schwerkraft der Strahlenquelle ausgleicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer horizontalen Bohrung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle in Richtung der Vortriebsachse orientiert und ge^führt wird sowie gegenüber der Bohrungswandung schwebend gehalten ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher gasdynamischer Strahl vorgesehen wird, welcher in Bewegungsrichtung der Strahlenquelle und unter einem Winkel zur Vortriebsachse ausströmt.