(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンク機構（５）によってボアホール（１）内に保持されるドリルヘッド（４）によって、前記ボアホール（１）を具体的には地殻（３）に設ける方法であって、
前記ドリルヘッド（４）は、前記ボアホール（１）の底部（２）の物質が相変化によって固相から解放されるようにする熱的装置（６）を備え、前記解放された物質は、ガス流を使用することによって前記ボアホール（１）の開口部の方向に、具体的には、地表（７）に運び去られる、方法において、
前記熱的装置（６）は１０００ｋＷ超の熱出力を発生させるように動作し、前記物質の約８０〜９０質量％またはそれ以上が、前記熱出力によって、前記固相から転移するときに昇華し、
前記ボアホール（１）の前記底部（２）における、前記解放された物質の相状態は、前記ドリルヘッド（４）に取り付けられるセンサによってモニタリングされ、
前記センサは、前記ドリルヘッド（４）の領域で前記ボアホール（１）上の固相と液相の温度を測定する高温計（１７）であって、前記固相と前記液相との間の温度差が前記ボアホール（１）の前記底部（２）にある液化物質の高さを判定するための前記液化物質の液面の曲率の判定に用いられる、高温計（１７）であり、
前記ボアホール（１）の前記底部（２）のある量の前記液化物質は、前記液化物質の高さの前記判定に基づいて、前記熱出力を調整することによって規定の公称値になるように調整され、前記熱出力は、前記調整において前記量の液化物質の減少のために増大され、
前記ガス流は、冷却ガス流（１５）であり、
昇華された物質（１３）は、前記冷却ガス流（１５）によって冷却されることにより、再昇華し、微細な粒子のダスト形態になることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱的装置（６）は、少なくとも５０００Ｋの温度を発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却ガス流（１５）は昇華された岩と前記ドリルヘッド（４）との間にガスクッションを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却ガス流（１５）は前記ドリルヘッド（４）と前記ボアホール（１）との間の隙間に吹かれることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボアホールを、具体的には地殻に設ける方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械式の掘削法は、現在では石油源および天然ガス源の開発のために従来から用いられている。前記機械式の掘削法はボアホールから岩を除去するために回転ビットを利用する。回転方法に加えて、パーカッションドリルビットまたは回転パーカッションドリルビットもある。ドリルビットは機械式または流体力学式に駆動される。通常、各セクションに一緒にネジ留めされるかまたは挿入されるリンク機構が、岩物質を除去するために機械的エネルギーをビットに伝達する。このプロセスには冷却が必要とされる。冷却は、大部分が水から構成される掘削流体によって行われる。冷却に加えて、流体は、除去されたドリルカッティングをボアホールの底部から上方向に輸送するためにも使用される。しかし、前記冷却および除去法は高温によって制限され、これは、具体的には、２０００ｍを超える深さでよく見られる。ここで、温度は、掘削流体が有効な冷却を行うことができないほどに高い。これが、２０００ｍを超える深さで掘削を行うのが難しい理由の一つである。ある一定の温度を超えると、冷却流体は沸騰し始めるため、十分な熱または岩を排出することができなくなる。到達できる深さも、それぞれのボアホールの岩のそれぞれの地質条件によって制限される。掘削流体の沸点は様々な添加物によって上昇させることができ、さらに高い温度でもその機能を可能にするが、こうした調節の可能性には技術的な限界がある。
【０００３】
特許文献１は、空所の前面の岩が熱によって溶融される、岩に空所を設ける方法を開示する。液化された岩は空所からガス状媒体を用いて除去される。岩を溶融させるために必要な熱は、空洞の先頭に配置されるプラズマ発生器によって供給される。ボアホール内が高温でもその方法には有意な不利点は生じない。
【０００４】
しかし、液化された岩はドリルヘッドを越えてボアホールの開口部に運ばなければならないので、その取り扱いはプラズマ掘削の場合は課題である。液化された岩はドリルヘッド上に沈殿する（凝縮する）恐れがある。これはドリルヘッドの破壊につながり、そのことからコストが高くなり、ダウンタイムが生じる恐れがある。現在まで、この課題は、ボアホールの底部における流体の高さを可能な限り低くなるように維持することによって取り組まれてきた。そのためにプラズマ発生器の出力を低下させる。これは、送り速度が広範囲にわたって熱出力に対して線形であるので必然的に掘削の進行を遅らせる。この点で、プラズマ掘削は、費用対効果の面で現在ではめったに利用されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１３５３９１（Ａ２）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、具体的には前進が速いことおよび耐久性が高いことを特徴とする、ボアホールを構築する改善された方法を提供するという課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題は、リンク機構上でボアホール内に保持されるドリルヘッドによって、ボアホールを具体的には地殻に構築する方法であって、ドリルヘッドは、ボアホールの底部の物質、具体的には岩が、相変化によって固相から解放されるようにする熱的装置を備え、その解放された物質は、ボアホールの開口部の方向に、具体的には地表に運び去られる、方法によって解決される。本発明によれば、その熱的装置は、高い熱出力を発生させるように動作し、物質は大部分が、その高い熱出力によって、固相から転移するときに昇華する。
【０００８】
本発明の中核は、具体的には、熱的掘削方法における昇華により、物質は液相には全く転移しないという事実にある。実際に昇華によって前記相はスキップされる。その結果、液体物質がドリルヘッド上に沈殿するというリスクは限りなく低下する。液体の岩がドリルヘッド上に飛び散り、そこに沈殿するというリスクも低下する。上記に記載した従来技術によるプラズマ掘削とは異なり、本発明によれば入力される出力はそれに従って低下することはないが、むしろその代わりに、液体物質の形成を防止するために上昇する。物質への熱出力を増大させると溶融深さが１ｃｍ未満まで低減し、そうなると、ボアホールの底部にある液体物質の割合が有意に低下することになり、これは、下にある物質層に対する昇華の短期間の冷却効果によるものである。熱出力を増大させることによって、可能な送り速度は同時に上昇する。
【０００９】
さらに、物質の昇華により物質の迅速な除去が可能になる。トーチまたは個々の事例では冷却ノズルによって制御されたすぐ後に、物質は再昇華して小さい粒子になり、小さい粒子は簡単に押し流すことができる。液相を介して転移する方法とは異なり、再昇華中に生み出される粒子は濃縮によって生み出される粒子より有意に小さい。
【００１０】
いわゆるプラズマトーチが具体的には熱的装置として使用され、そのため、「トーチ（独：Brenner、英：torch）」という表現はこの文脈では不正確に使用されることがある。本方法は、装置が発生させる高い温度に左右されるが、このことは必ずしも燃焼または酸化によって実現する必要はない。必要な熱出力を供給できる場合は、レーザなどの光学装置も一般に考えられる。
【００１１】
昇華によって固相から解放された物質の少なくとも５０重量％、好ましくは、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％または少なくとも９５重量％が気相に転移する。解放された物質の残りが気相に転移するとすれば、それはまず溶融してから、ようやくのことである。昇華された物質の割合が高いと急な体積の膨張も引き起こされ、そうなると、液体成分があればそれがボアホールの底部の固体表面から除去される。この点で、物質が昇華によってのみ固相から解放されることが必ずしも必要とされるものではない。
【００１２】
プラズマジェットによる岩の従来の表面処理では、例えば独国特許第１９  ４３  ０５８（Ｃ３）号に記載されるように、やはり岩が散発的に昇華されるが、提示した課題を解決するために岩の大部分が溶融するのではなく昇華するような出力レベルに意図的に導かれる熱的掘削ツールは、これまで説明されなかった。
【００１３】
本発明によれば、２〜１０ｍｍ／ｓの送り速度を実現することができる。最適な動作条件下では、プラズマ掘削は、機械式の掘削法と比べてより長い耐用年数の可能性も有する。
【００１４】
具体的にはボアホールの底部における、開放される物質の相状態は、好ましくは、ドリルヘッドに取り付けられる少なくとも１つのセンサによってモニタリングされる。このように、全出力のうちの液体物質の割合は、必要に応じて判定および測定、開始することができる。そのために、ボアホールの底部における掘削物質の相状態は、ドリルヘッドに取り付けられるセンサによって最適にモニタリングされる。全出力のうちの液相の割合はこのように絶えず判定することができる。センサは、具体的には、高温測定に基づいており、ボアホールの底部とボアホールの側壁との間の解放された物質の温度差を判定するように働く。本発明による方法は固相と液相との間の温度差を利用する。液相の割合は、液相の一瞬の圧力に関連して数学的方法を用いて、メニスカスの特徴から判定することができる。
【００１５】
ボアホールの底部のある量の液化物質は、好ましくは、熱出力を調整することによって規定の公称値になるように調整され、その熱出力はその量の液化物質の減少のために増大される。このような調整は、解放された物質の液体の割合が確実に大きくなりすぎないようにすることができる。液体の割合を低下させることによって、送り速度を低下させることもなく、ボアホールを詰まらせるリスクが低くなるように維持される。
【００１６】
深さ１０００ｍ超の深いボアホールには特別な条件がある。そこにある岩は、具体的には、以下のパラメータのうちの１つまたは複数を有する。
密度：１３００〜４０００ｋｇ／ｍ３
熱伝導率：２〜５Ｗ／ｍＫ
比熱容量：６００〜２０００Ｊ／ｋｇＫ
融点：６００〜２０００℃
沸騰温度：２８００〜４０００Ｋ
蒸発熱：２ＭＪ／ｋｇ
【００１７】
ボアホールは、具体的には、以下のパラメータを示す。
地表からボアホールの底部までの距離（ボアホールの深さ）：少なくとも１０００ｍ、具体的には、少なくとも２０００ｍまたは少なくとも４０００ｍ
ボアホールの直径：２〜３０ｃｍ、具体的には、２０ｃｍ未満
【００１８】
本明細書に記載する方法は、具体的には、縦横比（ボアホールの深さと直径の比）が高く、少なくとも１０００：１、具体的には、少なくとも３０００：１もしくは少なくとも１００００：１であるか、または非常に深いボアホールの場合は、少なくとも２００００：１もしくは少なくとも１０００００：１であるボアホールを生み出すのに適している。
【００１９】
熱的装置の出力、すなわち、本方法で生じる熱出力は、少なくとも８０ｋＷ、好ましくは、少なくとも１０００ｋＷである。
【００２０】
熱的装置としてプラズマ発生装置が選択される場合、ドリルヘッド上で放射されるプラズマビームの温度は、必要な範囲で昇華を引き起こすために、２０００Ｋ、好ましくは、少なくとも５０００Ｋに等しくすべきである。以下のガスを使用することができる。窒素、アセトン、酸素、水素、ヘリウム、アルゴンおよび二酸化炭素。出力密度は、好ましくは、少なくとも１０７Ｗ／ｍ２、好ましくは、５×１０７Ｗ／ｍ２に等しい。出力密度は、岩の表面に熱的装置によって加えられる、単位面積当たりの熱出力とみなされる。
【００２１】
そのために、表面、具体的には地表に向かって、除去された物質を運ぶために、好ましくは、ガス流が使用される。これは、プラズマジェットのためにも使用されるのと同じガスとすることができる。次いで、物質は、ドリルヘッドの側部を越えて、具体的にはドリルヘッドとボアホールとの間の隙間を通して、案内される。
【００２２】
昇華された物質は、好ましくは、プラズマジェットから分かれた冷却ガス流によって冷却される。これは、好ましくは、昇華された岩とドリルヘッドとの間にガスクッションを形成する。具体的には、前記冷却ガス流またはガスクッションにより、第一に、昇華された物質が確実にドリルヘッドと接触しない。第二に、再昇華が起こり、その結果、最も小さい粒子の、一種のダストの収集または形成が起こるように、昇華された物質の冷却を行うことができる。そのときに、前記ダスト物質は隙間を通して上方向に運ばれる。再昇華は、物質がそこに堆積し、ボアホールのガラス化を引き起こすように、ボアホールの壁上で直接的に起こることもできる。
【００２３】
冷却ガス流は、好ましくは、横方向にドリルヘッドとボアホールとの間の隙間に吹き込まれる。したがってガス状の物質は、ドリルヘッドと接触することが防止され、その上で凝縮および凝固または再昇華することが防止される。
【００２４】
本発明はさらに、ボアホールを具体的には地殻に構築するための装置に関する。装置は、ドリルヘッドと、ボアホール内でドリルヘッドを保持するリンク機構と、ボアホールの底部の物質が相変化によって固相から解放されるようにする、ドリルヘッドに配置される熱的装置とを備える。本発明によれば、装置はさらに、具体的にはドリルヘッドに取り付けられるセンサを備え、具体的にはボアホールの底部で、解放された物質（独：geloesten Materials、英：loosened material）の相状態を、そのセンサによってモニタリングすることができる。フォトオプティカルセンサ、具体的には高温計を、センサとして使用することができる。上で説明した熱出力の調整は、このような装置によって実施することができる。
【００２５】
図面に基づいて本発明を以下にさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ドリルヘッドが内部に導入されたボアホールを断面図に示す。
【図２】ボアホールの底部の液体高さの特徴が異なる、図１によるボアホールの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は地表７から地殻３に設けられるボアホール１を示す。ボアホールの深さＴ（＝地表７からボアホール１の底部２までの距離）は約４０００ｍに等しい。ボアホールは、さらなる深さに貫入できるように拡張される予定にある。前記目的のためにドリルヘッド４が設けられる。そのドリルヘッド４はリンク機構５によって保持され、地表７からボアホール７中に、ボアホール７に対して同軸に延在する。プラズマジェット８を発生させるプラズマ発生装置６が、ドリルヘッド４の内側に配置される。温度が２０００Ｋ以上のプラズマジェット８によって、ボアホール１の底部２の岩３が固相から解放され、したがって、取り除かれる。
【００２８】
プラズマ発生装置の基本的な構造は、このタイプの既知の装置に相当し、中央の内部アノード１０と、アノード１０に対して同軸に配置される環状のカソード９とを備える。窒素、酸素、水素、アルゴン、ヘリウムまたは二酸化炭素など、プラズマを形成するのに適したガスが、供給ライン１を介してカソード９とアノード１０との間の領域に高圧で吹かれる。それに応じて高い圧力を加えると、アノード１０およびカソード９の機構は電気アークを発生させ、それによって、プラズマまたはプラズマジェット８が生み出される。その結果、ガスは、岩の除去に必要な２５００Ｋ超まで温度上昇を受ける。
【００２９】
したがって、プラズマジェット８は、大部分が岩を昇華させ、岩を最初に溶融させることのない、出力レベルまで導かれる。したがって、液体の岩は、ボアホール１の底部２に集まることが広範囲で防止される。液体の岩はドリルヘッド上で簡単に硬化し、その結果ドリルヘッドを損傷させる恐れがあるので、避けるべきである。さらに、液体の岩は、ドリルヘッドとボアホールとの間の環状の隙間に集まって、そこで閉塞を引き起こす恐れがある。
【００３０】
解放されたガス状の岩は、可能な限り速やかに固相に戻り、可能な限り微細な粒状になるように昇華および凝固させることを確実にしなければならない。そのために、ドリルヘッド４内にシェルチャネル１２が形成され、そのシェルチャネル１２はプラズマ発生装置６の周りで環状になるように配置される。供給ライン１１から始まるのと同じように、冷却ガス流１５が前記シェルチャネル１２を通って高速で流れる。前記ガスは、面（独：Stirnseite、英：face）１７の近くで、すなわち、ドリルヘッドの下向きの尖った領域で、シェルチャネル１２から出て、昇華された岩を伴うプラズマガス１３とドリルヘッド４との間に一種のガスクッション１６が形成されるのを確実にする。前記ガスクッション１６は、岩がガス状の形態で存在する場合に必要とされ、岩がガス状の形態は線で示され参照符号１３で区別される。さらに、前記ガスクッション１６により、ガス状の岩の急速な冷却が起こり、そうなることで、ガス状の岩が再昇華し、したがって、固体のダスト状の形態を取る。図にはこれを、参照符号１４により区別される点線で示す。次に、地表７の方向では、冷却ガス流１５と混合され、再昇華された岩と一緒に冷却ガス流１５およびプラズマガス流１４が共に排出される。
【００３１】
ボアホールの底部２にある液体の高さの判定は図２に基づいて説明する。高温計１７が、ドリルヘッド４の領域でボアホール１上の温度分布を測定する。ボアホール１の縁部などの固体成分は、液体成分、すなわち、液化された岩１８より温度が低く、液体成分はガス状成分より温度が低い。メニスカスの形状、すなわち、ボアホール１の底部２の液面の曲率は、これに基づいて判定することができる。
【００３２】
メニスカスの形状は、ボアホールの底部の液体の高さに関係する。図２ａは外側領域が急こう配のメニスカスを示し、これは、液体の高さが低いことを示す。図２ｂは外側領域が平坦なメニスカスを示し、これは液体の高さがより高いことを示す。メニスカスの形状と液体の高さとの相関関係は数学モデルによって作られる。
【符号の説明】
【００３３】
１  ボアホール
２  ボアホールの底部
３  岩／地殻
４  ドリルヘッド
５  リンク機構
６  プラズマ発生装置
７  地表
８  プラズマジェット
９  カソード
１０  アノード
１１  供給ライン
１２  シェルチャネル
１３  昇華された岩を含むプラズマガス流
１４  再昇華された岩を含むプラズマガス流
１５  冷却ガス流
１６  ガスクッション
１７  高温計
１８  液体の層
Ｔ  ボアホールの深さ
【図１】
0006738321.tif 000002
【図２】
0006738321.tif 000003