DE19534173A1 - Blasting subterranean borehole with shock waves generated by high voltage electrical discharges - Google Patents
Blasting subterranean borehole with shock waves generated by high voltage electrical dischargesInfo
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- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
- E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Bohrverfahren, bei dem an einer Bohrstelle ein Bohrloch in einem Material erzeugt wird, sowie eine Bohrvorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens.The invention relates to a drilling method in which a borehole at a drilling site a material is generated, and a drilling device for performing the Ver driving.
Es sind eine Reihe von Bohrverfahren bekannt, die bspw. bei Tiefbaumaßnahmen im Bergbau oder bei Lagerstättenerschließungen eingesetzt werden. Auch bei Öl- und Gasbohrungen, geothermischen Erschließungsmaßnahmen und Tiefbohrungen für wissenschaftliche Zwecke werden bisher herkömmliche Bohrverfahren angewendet, die mit einem von einem Bohrgestänge angetriebenen Bohrkopf arbeiten, der ro tierende Schneidewerkzeuge aufweist. Bohrungen in wechselnden Bodenschichten oder Tiefbohrungen erfordern einen erheblichen technischen Aufwand und stoßen schnell an unüberwindbare Grenzen. Besonders problematisch sind hohe Tempera turen am Bohrkopf und ein schneller Verschleiß der Schneidewerkzeuge. Außerdem ist bei den üblichen Bohrverfahren ein umständlicher Ein- und Ausbau des Bohrgestänges erforderlich. Bohrungen in größere Tiefen oder durch wechselnde Boden- und Ge steinsarten sind besonders problematisch.A number of drilling methods are known which are used, for example, in civil engineering work in the Mining or in the development of deposits. Even with oil and Gas drilling, geothermal development and deep drilling for Conventional drilling methods have so far been used for scientific purposes, who work with a drill head driven by a drill pipe, the ro has cutting tools. Drilling in changing soil layers or deep drilling require considerable technical effort and encounter quickly to insurmountable limits. High temperatures are particularly problematic structures on the drill head and rapid wear of the cutting tools. Besides, is with the usual drilling methods, laborious installation and removal of the drill pipe required. Drilling to greater depths or by changing soil and ge Types of stone are particularly problematic.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrverfahren zur Verfü gung zu stellen, mit dem auch Bohrungen in tiefere und/oder wechselnde Boden schichten auf wirtschaftliche Weise ermöglicht werden.The present invention has for its object to provide a drilling method supply with which also bores in deeper and / or changing soil layers are made possible in an economical manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material an der Bohr stelle mindestens einem von einer elektrischen Hochspannungsentladung ausgelösten Druckimpuls ausgesetzt wird.This object is achieved in that the material on the Bohr place at least one triggered by an electrical high voltage discharge Pressure pulse is exposed.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Bohrung ohne wesentlichen Verschleiß von Bohrwerkzeugen möglich ist, wenn anstelle einer mechanischen Zer kleinerung mittels Schneidewerkzeugen das zu bohrende Material ohne Berührung mit mechanischen Teilen mittels einer Schockwelle gebrochen wird. Hierzu wird in der Nähe des zu bohrenden Materials eine elektrische Hochspannungsentladung durchge führt, die einen Druckimpuls liefert, der auf das Material übertragen wird. Vorzugsweise werden mehrere Druckimpulse hintereinander erzeugt, so daß sich Stoßwellen ausbil den. The invention is based on the knowledge that a bore without essential Wear of drilling tools is possible if instead of a mechanical Zer reduction by means of cutting tools without touching the material to be drilled mechanical parts is broken by means of a shock wave. For this, in the An electrical high-voltage discharge is carried out near the material to be drilled leads, which delivers a pressure pulse that is transmitted to the material. Preferably several pressure pulses are generated in succession, so that shock waves develop the.
Zweckmäßigerweise wird der durch die elektrische Hochspannungsentladung erzeugte Druckimpuls mittels einer Flüssigkeit auf das Material übertragen. Das Material wird durch den Druckimpuls fein zerkleinert. Dabei wirken die Stoßwellen besonders stark im Bereich einiger Zentimeter um die elektrische Hochspannungsentladung.Expediently, the one generated by the electrical high-voltage discharge Transfer the pressure pulse to the material using a liquid. The material will finely crushed by the pressure pulse. The shock waves are particularly strong in the range of a few centimeters around the electrical high-voltage discharge.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß in das Bohrloch eine Flüssigkeit eingegeben wird und die elektrische Hochspannungsentla dung in der Flüssigkeit durchgeführt wird. Als Flüssigkeit kommt bspw. Wasser in Betracht.A particularly useful embodiment of the invention provides that in that Borehole a liquid is entered and the electrical high voltage discharge is carried out in the liquid. For example, water comes in as a liquid Consideration.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Flüssigkeit eine kryo gene Flüssigkeit, vorzugsweise ein tiefkalt verflüssigtes Gas, insbesondere flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid, eingesetzt. Diese Maßnahme ist besonders dann zweckmäßig, wenn das zu bohrende Material nicht ausreichend verfestigt ist. Durch die Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit wird das Material versprödet, so daß die Zerkleinerung des Materials durch den von der elektrischen Hochspannungs entladung ausgelösten Druckimpuls erleichtert wird. Die kryogene Flüssigkeit dient also gleichzeitig zum Verspröden des Materials und zur Übertragung des Druckimpulses.According to a particularly preferred embodiment, a cryo is used as the liquid gene liquid, preferably a cryogenic liquefied gas, in particular liquid Nitrogen or liquid carbon dioxide. This measure is special useful if the material to be drilled is not sufficiently solidified. By using a cryogenic liquid, the material becomes brittle, so that the crushing of the material by the from the electrical high voltage discharge triggered pressure pulse is facilitated. So the cryogenic liquid serves simultaneously embrittling the material and transmitting the pressure pulse.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren dadurch verwirklicht, daß in das Bohrloch mit einer Hochspannungsversorgungseinheit in Verbindung stehende Elektroden bis in Nähe des Bohrlochgrundes eingeführt werden und soviel Flüssigkeit in das Bohrloch eingebracht wird, daß die Elektroden von der Flüssigkeit bedeckt sind.The method is expediently implemented in that with in the borehole electrodes connected to a high voltage supply unit up to Be introduced near the bottom of the borehole and so much liquid into the borehole is introduced that the electrodes are covered by the liquid.
Um eine besonders gerichtete Bohrung zu ermöglichen, ist gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, den Bohrlochmantel abdeckende Bohrlochhüll rohre bis an den Bohrlochgrund in das Bohrloch einzuführen. Auf diese Weise kann sich der Druckimpuls in der im Bohrloch befindlichen Flüssigkeit nicht zur Seite in Richtung des Bohrlochmantels ausbreiten, sondern greift das Material nur in Richtung des Bohrlochgrundes an.In order to enable a specially directed drilling, according to a further development of the inventive concept provided, covering the borehole casing Insert pipes into the borehole up to the bottom of the borehole. That way the pressure pulse in the liquid in the borehole does not move aside Spread in the direction of the borehole casing, but only grabs the material in the direction the bottom of the borehole.
Beim Bohren entstehender Bohrklein wird vorzugsweise mittels eines Spülmediums aus dem Bohrloch ausgetragen. Da durch den von der Hochspannungsentladung ausgelösten Druckimpuls das Material zu einem besonders feinen Pulver zerkleinert wird, ist ein weitgehender Bohrkleinaustrag mittels einer Gasströmung möglich. Dabei wird zweckmäßigerweise als Spülmedium verdampfte kryogene Flüssigkeit eingesetzt. Drilling cuttings generated during drilling are preferably carried out using a flushing medium discharged from the borehole. Because of the high-voltage discharge triggered pressure pulse the material is crushed into a particularly fine powder extensive drilling cuttings discharge is possible by means of a gas flow. Here evaporated cryogenic liquid is expediently used as the rinsing medium.
Bevorzugt wird die kryogene Flüssigkeit in einer solchen Menge in das Bohrloch einge leitet, daß ein Bad der kryogenen Flüssigkeit im Gleichgewicht im Bohrloch erhalten bleibt und verdampfte kryogene Flüssigkeit gleichmäßig als Spülmittel aus dem Bohr loch austritt.The cryogenic liquid is preferably introduced into the borehole in such an amount conducts a bath of cryogenic liquid to maintain equilibrium in the borehole remains and evaporates cryogenic liquid evenly as a flushing agent from the drill hole exits.
Auf diese Weise erfüllt die kryogene Flüssigkeit drei Aufgaben gleichzeitig:
Einerseits dient sie als Schockwellenüberträgerflüssigkeit, um den Druckimpuls von der
elektrischen Hochspannungsentladung auf das zu bohrende Material zu übertragen.
Andererseits bewirkt die kryogene Flüssigkeit eine Versprödung des Materials, so daß
das Material leichter zerkleinert werden kann. Darüber hinaus dient die verdampfte
kryogene Flüssigkeit als Spülmedium zum Austragen des Bohrkleins aus dem Bohr
loch.In this way, the cryogenic liquid fulfills three tasks simultaneously:
On the one hand, it serves as a shock wave transmission fluid to transmit the pressure pulse from the electrical high-voltage discharge to the material to be drilled. On the other hand, the cryogenic liquid causes embrittlement of the material, so that the material can be crushed more easily. In addition, the evaporated cryogenic liquid serves as a flushing medium for discharging the cuttings from the borehole.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bohrvorrichtung mit einem in ein Bohrloch einführ baren Bohrkopf. Erfindungsgemäß weist der Bohrkopf mit einer Hochspannungsver sorgungseinrichtung in Verbindung stehende Elektroden auf.The invention further relates to a drilling device with an insert into a borehole ed boring head. According to the invention, the drill head has a high voltage ver care device related electrodes.
Die Elektroden stellen demzufolge den eigentlichen Bohrer dar, während die elektri schen Versorgungsleitungen zwischen der Hochspannungsversorgungseinrichtung und den Elektroden mit dem Bohrgestänge bei herkömmlichen Bohrvorrichtungen zu vergleichen sind.The electrodes therefore represent the actual drill, while the electri the supply lines between the high-voltage supply device and the electrodes with the drill string in conventional drilling devices are comparing.
Bevorzugt endet in Nähe des Bohrkopfes eine mit einem Vorratsbehälter für eine kryogene Flüssigkeit in Verbindung stehende Zufuhrleitung. Zweckmäßiger Weise sind die Hochspannungsversorgungseinrichtung und der Vorratsbehälter für die kryogene Flüssigkeit außerhalb des Bohrloches angeordnet und die Verbindungsleitungen zwischen der Hochspannungsversorgungseinrichtung und dem Bohrkopf sowie die Zufuhrleitung für die kryogene Flüssigkeit flexibel ausgebildet. Auf diese Weise ist im Vergleich zu herkömmlichen Bohrvorrichtungen ein gestängeunabhängiges Bohren möglich.Preferably, one ends with a storage container for one in the vicinity of the drill head cryogenic liquid related supply line. Are convenient the high-voltage supply device and the storage container for the cryogenic Liquid is placed outside of the borehole and the connecting lines between the high voltage supply device and the drill head as well as the Supply line for the cryogenic liquid is flexible. In this way, Compared to conventional drilling devices, drill-independent drilling possible.
Der Wegfall von Gestänge und herkömmlicher mechanischer Zerkleinerung bietet enorme Vorteile. Es können nahezu unbegrenzte Bohrtiefen, Krümmungen, Nei gungen, Durchmesser etc. erzielt werden. Deshalb eignet sich die Erfindung insbeson dere für Anwendungen im Tiefbau, Bergbau, bei der Lagerstättenerschließung, bei Öl- und Gasbohrungen, geothermischen Erschließungsmaßnahmen und Tiefbohrungen für wissenschaftliche Zwecke.The elimination of booms and conventional mechanical shredding offers enormous advantages. There can be almost unlimited drilling depths, curvatures, nei conditions, diameters etc. can be achieved. Therefore, the invention is particularly suitable for applications in civil engineering, mining, in the development of deposits, at Oil and gas drilling, geothermal development and deep drilling for Scientific purposes.
Die Hochspannungsversorgungseinrichtung und die Elektroden können an verschie dene Anwendungsfälle angepaßt werden, wobei geringere elektrische Leistungen für Kleinbohrungen und größere elektrische Leistungen für Großlochbohrungen vorge sehen sind. Zweckmäßigerweise arbeitet die Hochspannungsversorgungseinrichtung mit einer elektrischen Spannung von ca. 200 000 bis ca. 800 000 Volt, besonders bevorzugt ca. 300 000 bis ca. 500 000 Volt.The high voltage supply device and the electrodes can be various whose applications are adapted, with lower electrical power for Small bores and larger electrical outputs for large bores are featured are seen. The high-voltage supply device expediently works with an electrical voltage of approximately 200,000 to approximately 800,000 volts, especially preferably about 300,000 to about 500,000 volts.
Claims (12)
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DE1995134173 DE19534173A1 (en) | 1995-09-14 | 1995-09-14 | Blasting subterranean borehole with shock waves generated by high voltage electrical discharges |
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DE1995134173 Withdrawn DE19534173A1 (en) | 1995-09-14 | 1995-09-14 | Blasting subterranean borehole with shock waves generated by high voltage electrical discharges |
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