EP4176155B1 - Verfahren und vorrichtung zum laserbohren - Google Patents

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EP4176155B1
EP4176155B1 EP21745694.6A EP21745694A EP4176155B1 EP 4176155 B1 EP4176155 B1 EP 4176155B1 EP 21745694 A EP21745694 A EP 21745694A EP 4176155 B1 EP4176155 B1 EP 4176155B1
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EP
European Patent Office
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laser
gas flow
laser beam
drill rod
tube
Prior art date
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EP4176155A1 (de
EP4176155C0 (de
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Josef Grotendorst
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Laser Drilling GmbH
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Individual
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    • E21B17/028—Electrical or electro-magnetic connections
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B36/00—Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
    • E21B36/003—Insulating arrangements

Definitions

  • Such a device is known, for example, from US 2010/0044102 A1 known.
  • a flexible tube is used as an aid for feeding the laser beam and for feeding the nitrogen required as a protective gas and conveying gas, for example a spiral tube, in the interior of which a fiber optic cable is arranged for the passage of the laser beam, while leaving enough space in the tube for a sufficient amount of nitrogen to pass through.
  • the protective gas flow and the laser beam exit together through an opening on the underside of the laser drilling head facing the bottom of the borehole and strike the bottom of the borehole together.
  • the energy of the laser beam striking the bottom of the borehole loosens the rock material there, depending on the rock material, by melting, evaporating and/or spallation.
  • the thermally loosened rock material is then displaced by the protective gas flow striking the bottom of the borehole in the direction of the edge of the borehole, where it is drawn in by the suction of the The gas flow is directed in the discharge direction and carries the material detached from the borehole bottom out of the borehole via the annular space between the drill rod and the borehole wall.
  • Fiber optic cables have a relatively high attenuation, so that the fed-in laser beam no longer reaches the laser drill head with sufficient intensity when the fiber optic cable is this long.
  • the required increase in the power of the laser beam leads to thermal problems because the energy introduced by the laser beam and released in the form of heat at the bottom of the borehole would lead to an unacceptable overheating of the laser drill head and the drill rod.
  • the quantities of gaseous nitrogen supplied by the shielding gas flow and the production gas flow are not sufficient to adequately dissipate the excess heat given such a high power of the laser beam.
  • intensive exposure of the borehole bottom to a cold shielding gas flow would lead to a thermal short circuit in the area of the borehole bottom, which would hinder the thermal detachment process of the rock material from the borehole bottom.
  • the nitrogen is supplied to the laser drilling head in a liquid state and is only converted into a gaseous state in the area of the laser head, which means that there is sufficient coolant available for cooling the laser drilling head, the protective gas flow, the conveying gas flow and the drill rod.
  • the transition of the state of matter is extremely endothermic and increases the supplied volume considerably, so that in the area of the laser drilling head, in order to avoid In case of overheating, sufficient quantities of cold nitrogen gas can be made available and distributed as needed
  • the electrically preheated heating gas flow directed towards the bottom of the borehole which is also provided according to the invention, ultimately prevents the thermal short circuit mentioned above.
  • This heating gas flow is preferably even given a temperature that is close to the melting temperature of the rock in question.
  • a further problem with methods according to the invention is that the molten or vaporized rock material contained in the rising production gas stream must, if possible, be cooled to below the solidification temperature of the rock before entering the annular space between the drill rod and the borehole wall, so that this rock material does not precipitate on the drill rod and/or the borehole wall.
  • liquid nitrogen is additionally used as the production gas, which is injected in the area of the laser drill head into the production gas stream flowing back from the borehole bottom and loaded with the rock material detached from the borehole bottom, and is converted there into the gaseous state while the production gas stream and the rock material contained therein are cooled.
  • the liquid nitrogen used for this is branched off within the laser drill head from the liquid nitrogen stream fed to the laser drill head via the drill rod.
  • the method also provides for a further partial flow to be branched off from the nitrogen supplied to the laser drilling head, serving as a cleaning gas flow, which keeps the laser beam outlet opening of the laser drilling head facing the bottom of the borehole and covered with an expander lens clean. This prevents the transparently covered laser beam outlet opening from being damaged by gases rising from the bottom of the borehole. Suspended matter from the detached rock material becomes contaminated and thus becomes less permeable to the laser beam.
  • Such a drill rod with its compact design, enables the largely undamped passage of a high-performance laser beam through the laser guide tube, a largely heat-insulated passage of liquid nitrogen through the annular space of the double tube by means of a vacuum, good thermal insulation of the entire drill rod against heat from the production gas flow and the passage of electrical energy and electrical signals to the laser drill head.
  • the outer protective tube prefferably be made of steel and the tubes arranged inside the protective tube to be made of carbon fibre reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fibre reinforced plastic
  • the outer protective tube made of steel gives the entire drill rod the necessary stability and insensitivity to accidental overheating from the outside.
  • the material used for the inner tubes is characterized by its low weight and extremely high strength and is also good heat and largely electrically insulating.
  • the partial flow serving as the cooling gas flow runs through the interior of the housing and the interior of the housing is connected to the annular space between the outer protective tube and the insulation tube of the drill rod. This means that the cooling gas flow responsible for cooling the housing also has the function of keeping the outside of the drill rod sufficiently cool.
  • cleaning nozzles for the partial flow serving as the cleaning gas flow are arranged in the housing base, which run parallel to the underside of the housing base and are aligned with the expansion lens covering the passage opening for the laser beam.
  • the passage channel for the laser beam within the housing of the laser drilling head is provided with inlet openings for the partial flow serving as the shielding gas flow.
  • holding devices for holding lenses and/or mirror systems that direct the laser beam are arranged at a distance from one another, whereby these holding devices are designed to be gas-permeable for the protective gas flow. With such devices, it is possible to realign and/or focus the laser beam if necessary if the borehole and accordingly the drill rod deviate from a straight line.
  • the laser drilling head in its entirety is designated by the reference number 1 and the drill rod carrying the laser drilling head 1 in its entirety is designated by the reference number 2.
  • the laser drilling head 1 and the drill rod 2 are located in a borehole 4 introduced into a rock formation 3 with a borehole wall 4a and a borehole bottom 4b.
  • the laser drilling head 1 which is held in its working position at a short distance above the borehole bottom 4b, has a substantially cylindrical housing 5, the housing cover 5a of which is connected to the drill rod 2.
  • the housing 5 has a housing base 5b arranged at a distance from the borehole bottom 4b, which is connected centrally to a passage channel 6 for a laser beam 7 fed via the drill rod 2 and passed on through the housing 5.
  • an expander lens 8 which expands the incoming laser beam 7 so far that the entire borehole bottom 4b is exposed to the laser beam 7.
  • the housing base 5b contains heating jet nozzles 9 which generate heating gas flows 10 directed towards the borehole bottom 4b and are supplied with heating gas by electrical heating devices 11 arranged in the interior of the housing 5.
  • cleaning nozzles 12 are located in the housing base 5b, which are aligned parallel to the underside of the housing base 5b in the direction of the centrally arranged expander lens 8 and are supplied by a nitrogen collecting container 13 located inside the housing 5 with clean, gaseous nitrogen as a cleaning gas stream 14 for keeping the expander lens 8 clean.
  • the housing 5 of the laser drilling head 1 has a housing casing 5c, which leaves an annular space all around the borehole wall 4a for the passage of a conveying gas flow 15 loaded with the detached rock material rising from the borehole bottom 4b.
  • This conveying gas flow 15 has its origin in the edge region of the borehole bottom 4b acted upon by the heating gas flow 10 and carries the rock material detached from the borehole bottom out of the borehole 4.
  • conveying jet nozzles 16 and 17 are arranged in the casing 5c of the housing 5 of the laser drilling head 1, which run at an angle in the direction of the conveying gas flow 15 and can be supplied with liquid and/or gaseous nitrogen from the inside of the housing 5.
  • liquid nitrogen is supplied via the conveying jet nozzles 16, If nitrogen is added, it contributes particularly intensively to the cooling of rock material contained in the conveying gas stream 15.
  • the above-mentioned drill rod 2 is specially designed, as will be explained in detail below.
  • the protective gas flow 18 consisting of clean nitrogen is fed to the laser guide tube 19 of the drill rod 2 via inlet openings 20 located inside the housing 5 of the laser drill head 1 and opening into the passage channel 6, specifically above its passage opening.
  • annular spaces surrounding the double pipe 21 towards the laser guide tube 19 and towards the insulation tube 22 are evacuated in order to keep the liquid nitrogen flowing through the annular space of the double pipe 21 sufficiently thermally insulated.
  • the annular space between the outer protective tube 23 and the insulation tube 22 is connected to a cooling gas flow 24 which is returned from the housing 5 of the laser drilling head 1 and which sufficiently cools the outside of the drill rod 2.
  • the outer protective tube 23 is made of steel and ensures good stability and load-bearing capacity of the entire drill rod 1. All tubes located inside the protective tube 23, namely the laser guide tube 19, the double tube 21 and the insulation tube 22, are made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • one or more of the tubes surrounded by the outer protective tube 23 are provided with electrical conductors, not shown in detail in the drawing, for conducting electrical energy and electrical signals in the direction of the laser drilling head 1.
  • the drill rod 1 To simplify handling of the drill rod 1, it is divided into length sections, which can be connected to one another at their ends by screwable socket-pin connections 25, 26, whereby in the area of these socket-pin connections 25, 26 the adjacent sections of the laser guide tube 19 and the annular space of the double tube 21 and the annular space between the outer protective tube 23 and the insulation tube 22 are connected to one another in an aligned and pressure-tight manner.
  • the adjacent sections of the electrical conductors are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the annular spaces present in the individual sections of the drill rod 2, which are evacuated for the purpose of insulating the double tube 21, are each individually sealed in a pressure-tight manner and are not connected to one another.
  • holding devices 27 for holding lenses or mirror systems directing the laser beam 7 are arranged at a distance from one another, wherein these holding devices are designed to be permeable to the protective gas flow 18, i.e. are provided with corresponding passage holes at the edge.
  • the housing 5 of the laser drilling head 1 there are several solenoid valves and volume flow regulators (not provided with reference symbols in the drawing), which can be controlled via the signal conductors contained in the drill rod 2 and distribute the liquid nitrogen supplied to the housing 5 via the double pipe 21 to the conveyor jet nozzles 15, the collecting container 13 for gaseous nitrogen, the heating devices 11 for the heating gas flow 10 and the housing interior as required.
  • the control and regulation is carried out in such a way that the system remains in thermodynamic equilibrium despite the energy supplied with the laser beam.
  • a laser beam 7 with an output of 500 kW to 700 kW is fed into the laser guide tube 19 from a high-performance laser generator located outside the borehole 2 and fed to the laser drilling head 1.
  • the laser guide tube 19 is exposed to the protective gas flow 18 consisting of clean nitrogen gas from below, so that the laser beam is hardly attenuated on its way to the laser drilling head 1.
  • the laser beam 7 is then expanded using the expander lens 8 to such an extent that it covers the entire borehole bottom 5b.
  • the borehole bottom 4b is exposed to the heating gas flow 10, which has previously been heated by the heating device 11 to a temperature that is close to or even higher than the melting temperature of the rock at the borehole bottom 4b.
  • rock material is removed from the surface of the borehole bottom 4b by melting, evaporation or spallation and is displaced by the heating gas flow 10 to the outer edge of the borehole bottom 4b.
  • an upwardly directed production gas flow 15 loaded with the removed rock material is formed in this edge region and pushes upwards through the annular space between the casing shell 5c and the borehole wall 4a.
  • Liquid nitrogen and/or gaseous nitrogen is then blown into this ascending production gas stream using the production jet nozzles 16 and 17, whereby the production gas stream 15 is cooled and at the same time intensified.
  • This production gas stream 15 loaded with the rock material is then discharged from the borehole 2 via the annular space between the drill rod 2 and the borehole wall 4a.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Bohrloches in eine Gesteinsformation durch Beaufschlagen der Bohrlochsohle mit einem Laserstrahl, der von einem außerhalb des Bohrloches befindlichen Laserstrahlgenerator erzeugt wird und mittels geeigneter Hilfsmittel einem an der Bohrlochsohle befindlichen, mit einem Bohrgestänge verbundenen Laserbohrkopf zugeführt wird, wobei dem Laserbohrkopf über das Bohrgestänge Stickstoff zugeführt wird, der im Bereich des Laserbohrkopfes aufgeteilt wird in
    • einen als Schutzgasstrom dienenden Teilstrom, der den durchtretenden Laserstrahl gegen behindernde Schwebstoffe schützt,
    • und einen weiteren, als Fördergasstrom dienenden Teilstrom, der das an der Bohrlochsohle abgelöste Gesteinsmaterial über einen zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand verbleibenden Ringraum aus dem Bohrloch austrägt.
  • Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 2010/0044102 A1 bekannt. Bei bekannten Bohrverfahren der genannten Art wird als Hilfsmittel für die Zuführung des Laserstrahls und zur Zuführung von als Schutzgas und Fördergas benötigtem Stickstoff ein biegsames Rohr verwendet, beispielsweise ein Spiralrohr, in dessen Innenraum für die Durchleitung des Laserstrahls ein Glasfaserkabel angeordnet ist und dabei in dem Rohr noch genügend Freiraum für den Durchtritt einer ausreichenden Menge an Stickstoff freilässt. Der Schutzgasstrom und der Laserstrahl treten gemeinsam durch eine der Bohrlochsohle zugewandte Öffnung an der Unterseite des Laserbohrkopfes aus und treffen gemeinsam auf die Bohrlochsohle auf. Die Energie des auf die Bohrlochsohle auftreffenden Laserstrahls löst das dort anstehende Gesteinsmaterial ab, und zwar- je nach Gesteinsmaterial - durch Aufschmelzen, Verdampfen und/oder durch Spallation. Das thermisch abgelöste Gesteinsmaterial wird dann von dem zugleich auf die Bohrlochsohle auftreffenden Schutzgasstrom in Richtung auf den Rand der Bohrlochsohle verdrängt und dort vom Sog des in Austragsrichtung gerichteten ausgerichteten Fördergasstromes erfasst, der das von der Bohrlochsohle abgelöste Material über den zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand vorhandenen Ringraum aus dem Bohrloch austrägt.
  • Bei derartigen Verfahren und Vorrichtungen gibt es eine Reihe von einander widersprechenden Anforderungen, die bei der praktischen Ausführung zu Problemen führen:
    Für die bei diesen Verfahren angewendete thermische Ablösung des Gesteins von der Bohrlochsohle benötigt man selbstverständlich viel Energie, die im Wesentlichen von dem Laserstrahl eingetragen wird. Entsprechende Versuche haben ergeben, dass man in normalen Gesteinsformationen für die thermische Ablösung von Gesteinsmaterial an der Bohrlochsohle mithilfe eines Laserstrahls eine Leistungsdichte von mehr als 400 W/cm2 benötigt. Um diese Leistungsdichte zu erzielen, muss bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik der Laserstrahl im Auftreffbereich auf der Bohrlochsohle entsprechend fokussiert und sukzessiv über die Bohrlochsohle geführt werden, wozu komplizierte, in den Laserbohrkopf integrierte Mechanismen und/oder unterstützende Bohrwerkzeuge erforderlich sind, wenn ein ausreichender Bohrfortschritt erzielt werden soll. Besser wäre es demgegenüber, wenn man z.B. mit Hilfe einer Expanderlinse im Laserbohrkopf die gesamte Bohrlochsohle gleichzeitig ausreichend intensiv beaufschlagen könnte, wozu man allerdings bei normalen Bohrlochdurchmessern einen Laserstrahl mit einer Leistung von mehr als 500 kW, vorzugsweise 600 kW bis 700 kW benötigt.
  • Ein Laserstrahl mit einer derartig hohen Leistung kann jedoch nicht mehr ohne weiteres über ein Glasfaserkabel übertragen werden, insbesondere wenn dieses wegen der anzustrebenden Bohrlochtiefe 2000 m bis 10.000 m lang sein muss. Glasfaserkabel haben nämlich eine verhältnismäßig hohe Dämpfung, so dass der eingespeiste Laserstrahl bei einer solchen Länge des Glasfaserkabels nicht mehr mit ausreichender Intensität an dem Laserbohrkopf ankommt.
  • Zusätzlich führt die erforderliche Erhöhung der Leistung des Laserstrahls zu thermischen Problemen, weil die mit dem Laserstrahl eingetragene und an der Bohrlochsohle in Form von Wärme freigesetzte Energie zu einer unzulässigen Überhitzung des Laserbohrkopfes und des Bohrgestänges führen würde. Die zugeführten Mengen an gasförmigem Stickstoff des Schutzgasstromes und des Fördergasstromes reichen in Anbetracht einer derart hohen Leistung des Laserstrahles nicht aus, die überschüssige Wärme in ausreichendem Maße abzuführen. Hinzu kommt, dass eine intensive Beaufschlagung der Bohrlochsohle mit einem kalten Schutzgasstrom zu einem thermischen Kurzschluss im Bereich der Bohrlochsohle führen würde, der den thermischen Ablösevorgang des Gesteinsmaterials von der Bohrlochsohle behindern würde.
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass auch bei sehr tiefen Bohrlöchern ein ausreichend schneller Bohrfortschritt ermöglicht wird, ohne dass es zu schädlichen Überhitzungen an dem Laserbohrkopf oder dem Bohrgestänge kommt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor,
    • dass der Laserstrahl dem Laserbohrkopf über ein sich über die Länge des Bohrgestänges erstreckendes Laser-Leitrohr zugeführt wird, dessen freier Querschnitt vom Schutzgasstrom durchströmt wird,
    • dass der Stickstoff dem Laserbohrkopf über das Bohrgestänge in flüssigem Aggregatzustand zugeführt wird und im Bereich des Laserbohrkopfes in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird,
    • und dass von dem zugeführten Stickstoff zusätzlich ein weiterer, als Heizgasstrom dienender Teilstrom abgezweigt wird, der mittels einer dem Laserbohrkopf zugeordneten elektrischen Heizeinrichtung beheizt und gegen die vom Laserstrahl beaufschlagte Bohrlochsohle gerichtet wird.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung eines von dem Schutzgasstrom durchströmten Laser-Leitrohres anstelle des nach dem Stand der Technik üblichen Glasfaserkabels ist es ohne weiteres möglich, einen Laserstrahl mit extrem hoher Leistung nahezu verlustlos über die gesamte Länge des Bohrgestänges weiterzuleiten. Sauberer, gasförmiger Stickstoff hat nämlich eine extrem niedrige Dämpfungswirkung. Zur Lenkung und gegebenenfalls notwendigen Korrektur der Strahlrichtung des Laserstrahl im Verlauf des Laser-Leitrohres ist es ohne weiteres möglich, in geeigneten Abständen innerhalb des Leitrohres geeignete Linsen und oder Spiegelsysteme anzuordnen, die natürlich den durchtretenden Schutzgasstromes nicht unterbrechen dürfen.
  • Dadurch, dass weiterhin beim Verfahren gemäß der Erfindung der Stickstoff dem Laserbohrkopf in flüssigem Aggregatzustand zugeführt wird und erst im Bereich des Laserkopfes in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird, steht für die Kühlung des Laserbohrkopfes, des Schutzgasstromes, des Fördergasstromes und des Bohrgestänges Kühlmittel in ausreichender Menge zur Verfügung. Der Übergang des Aggregatszustandes ist nämlich extrem endotherm und vergrößert das zugeführte Volumen erheblich, sodass im Bereich des Laserbohrkopfes zur Vermeidung von Überhitzungserscheinungen in ausreichender Menge kaltes Stickstoffgas zur Verfügung gestellt und bedarfsgerecht verteilt werden kann
  • Durch den erfindungsgemäß schließlich noch vorgesehenen, gegen die Bohrlochsohle gerichteten, elektrisch vorgeheizten Heizgasstrom wird schließlich der oben angesprochene thermische Kurzschluss vermieden. Infolgedessen ist es ohne weiteres möglich, diesen Heizgasstrom, der die Ablösearbeit des Laserstrahls und zugleich den Abtransport des an der Bohrlochsohle abgelösten Gesteinsmaterials in Richtung auf den Fördergasstrom unterstützt, beliebig zu intensivieren. Vorzugsweise gibt man diesem Heizgasstrom sogar eine Temperatur, die nahe der Schmelztemperatur des jeweils anstehenden Gesteins ist.
  • Ein weiteres Problem bei Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, dass das in dem aufsteigenden Fördergasstromes enthaltene geschmolzene oder verdampfte Gesteinsmaterial nach Möglichkeit noch vor Eintritt in den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand bis unter die Erstarrungstemperatur des Gesteins abgekühlt werden muss, damit sich dieses Gesteinsmaterial sich nicht am Bohrgestänge und/oder an der Bohrlochwand niederschlägt. Zu diesem Zweck ist weiterhin vorgesehen, das als Fördergas zusätzlich flüssiger Stickstoff verwendet wird, der im Bereich des Laserbohrkopfes in den von der Bohrlochsohle zurückfließenden und mit dem von der Bohrlochsohle abgelösten Gesteinsmaterial beladenen Fördergasstrom eingespritzt wird und dort unter Abkühlung des Fördergasstromes und des darin befindlichen Gesteinsmaterials in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird. Der hierfür verwendete flüssige Stickstoff wird innerhalb des Laserbohrkopfes von dem dem Laserbohrkopf über das Bohrgestänge zugeführten flüssigen Stickstoffstrom abgezweigt.
  • Zweckmäßig ist weiterhin vorgesehen, dass von dem dem Laserbohrkopf zugeführten Stickstoff ein weiterer, als Kühlgasstrom dienender Teilstrom abgezweigt wird, der über das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgeführt wird und dabei das Bohrgestänge von innen kühlt. Hierdurch wird zusätzlich dafür gesorgt, dass dem Innenraum des Bohrgestänges nicht unnötig Wärme aus dem Fördergasstrom zugeführt wird.
  • Schließlich ist bei dem Verfahren noch vorgesehen, dass von dem dem Laserbohrkopf zugeführten Stickstoff ein weiterer, als Reinigungsgasstrom dienender Teilstrom abgezweigt wird, der die der Bohrlochsohle zugewandte , mit einer Expanderlinse abgedeckte Laserstrahl-Austrittsöffnung des Laserbohrkopfes sauber hält. Hierdurch wird vermieden, dass die lichtdurchlässig abgedeckte Laserstrahl-Austrittsöffnung durch von der Bohrlochsohle aufsteigende Schwebstoffe aus dem abgelösten Gesteinsmaterial verschmutzt wird und damit für den Laserstrahl weniger durchlässig wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des oben diskutierten Verfahrens. Diese Vorrichtung kennzeichnet sich zunächst durch eine besondere Ausgestaltung des Bohrgestänges. Dieses Bohrgestänge weist auf:
    • Ein von dem Schutzgasstrom durchströmtes Laser-Leitrohr für den Durchtritt des Laserstrahls,
    • ein das Laser-Leitrohr konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes Doppelrohr, dessen Ringraum vom flüssigen Stickstoff durchströmt wird,
    • ein das Doppelrohr konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes Isolationsrohr,
    • und ein das Isolationsrohr konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes äußeres Schutzrohr,
      wobei
    • die das Doppelrohr umgebenden Ringräume evakuiert sind,
    • der Ringraum zwischen dem äußeren Schutzrohr und dem Isolationsrohr an den vom Laserbohrkopf zurückgeführten Kühlgasstrom angeschlossen ist,
    • und eines oder mehrere der vom äußeren Schutzrohr umgebenen Rohre mit elektrischen Leitern zur Durchleitung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen zum Laserbohrkopf versehen sind.
  • Ein solches Bohrgestänge ermöglicht bei kompakter Bauweise den weitestgehend ungedämpften Durchtritt eines Hochleistung-Laserstrahles durch das Laser-Leitrohr, eine durch Vakuum weitestgehend wärmeisolierte Durchleitung von flüssigem Stickstoff durch den Ringraum des Doppelrohres, eine gute Wärmeisolierung des gesamten Bohrgestänge gegen Wärme aus dem Fördergasstrom und die Durchleitung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen zum Laserbohrkopf hin.
  • Zweckmäßig ist weiterhin vorgesehen, dass das äußere Schutzrohr aus Stahl und die im Inneren des Schutzrohres angeordneten Rohre aus karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestehen. Das aus Stahl bestehende äußere Schutzrohr verleiht dem gesamten Bohrgestänge die erforderliche Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber unbeabsichtigt auftretenden Überhitzungen von der Außenseite her. Der für die inneren Rohre verwendete Werkstoff zeichnet sich durch geringes Gewicht und extrem hohe Festigkeit aus und ist darüber hinaus gut wärmeisolierend und weitgehend elektrisch isolierend.
  • Zweckmässig ist es weiterhin, dass der Laserbohrkopf ein Gehäuse aufweist, dessen Gehäusedeckel an dem äußeren Schutzrohr des Bohrgestänges befestigt ist, wobei das Gehäuse weiterhin versehen ist mit:
    • einem durch das Gehäuse verlaufenden, sich an das Laser-Leitrohr des Bohrgestänges anschließenden Durchlasskanal für den Laserstrahl, dessen Austrittsöffnung im Bereich des Gehäusebodens durch eine Expanderlinse lichtdurchlässig abgedeckt ist,
    • im Gehäuseinnenraum angeordneten, an den Ringraum des Doppelrohres des Bohrgestänges angeschlossene Einrichtungen für die Weiterleitung und/oder Verdampfung des ankommenden flüssigen Stickstoffs sowie für die Speicherung und Aufteilung von gasförmigem Stickstoff auf die verschiedenen, vorgesehenen Teilströme,
    • im Gehäusemantel angeordneten, in Strömungsrichtung des Fördergasstromes geneigt verlaufenden Förderstrahldüsen für die Einspritzung von flüssigem Stickstoff in den Fördergasstrom,
    • im Gehäuseboden angeordneten, in Richtung auf die Bohrlochsohle gerichteten Heizstrahldüsen für den Heizgasstrom,
    • einer im Gehäuseinnenraum angeordneten elektrischen Heizeinrichtung für den Heizgasstrom
    • sowie mit Magnetventilen und Volumenstromreglern für die Steuerung und Regelung aller Stickstoff-Teilströme.
  • Mit einem solchen Laserbohrkopf ist es möglich, den über das Laserleitrohr des Bohrgestänge ankommenden Laserstrahl weitestgehend ungedämpft der Bohrlochsohle zuzuführen und den über das Doppelrohr des Bohrgestänges zugeführten flüssigen Stickstoff zu verdampfen und volumenstromgeregelt in die verschiedenen Teilströme aufzuteilen.
  • Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn der als Kühlgasstrom dienende Teilstrom durch den Gehäuseinnenraum verläuft und der Gehäuseinnenraum mit dem Ringraum zwischen dem äußeren Schutzrohr und dem Isolationsrohr des Bohrgestänges in Verbindung steht. Hierdurch erhält der für die Gehäusekühlung zuständige Kühlgasstrom zugleich die Funktion, die Außenseite des Bohrgestänges ausreichend kühl zu halten.
  • Bei der Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht die Gefahr, dass von der Bohrlochsohle aufsteigende Gesteinspartikel die im Austrittsbereich des Laserstrahls angeordnete Expansionslinse verschmutzen. Um das zu verhindern, ist weiterhin vorgesehen, dass im Gehäuseboden Reinigungsdüsen für den als Reinigungsgasstrom dienenden Teilstrom angeordnet sind, die parallel zur Unterseite des Gehäusebodens verlaufen und auf die die Durchlassöffnung für den Laserstrahl abdeckende Expansionslinse ausgerichtet sind.
  • Um das Laser-Leitrohr beginnend am Gehäuse des Laserbohrkopfes ausreichend und über die gesamte Länge mit einem sauberen Schutzgasstrom zu versorgen, ist weiterhin vorgesehen, dass innerhalb des Gehäuses Laserbohrkopfes der Durchlasskanal für den Laserstrahl mit Eintrittsöffnungen für den als Schutzgasstrom dienenden Teilstrom versehen ist.
  • Schließlich ist vorgesehen, dass im Inneren des Durchlasskanales für den Laserstrahl und/oder des Laser-Leitrohres mit Abstand zueinander Haltevorrichtungen zur Halterung von den Laserstrahl lenkenden Linsen und /oder Spiegelsysteme angeordnet sind, wobei diese Haltevorrichtungen für den Schutzgasstrom gasdurchlässig ausgebildet sind. Mit solchen Einrichtungen ist es möglich, im Bedarfsfall den Laserstrahl neu auszurichten und/oder zu fokussieren, falls das Bohrloch und dementsprechend das Bohrgestänge vom geradlinigen Verlauf abweicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Schematisch einen Längsschnitt durch den in seiner Arbeitsposition über der Bohrlochsohle befindlichen, am Bohrgestänge befestigten Laserbohrkopf;
    Figur 2:
    Schematisch einen Querschnitt durch das Bohrgestänge.
  • In der Zeichnung ist der Laserbohrkopf in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 und das den Laserbohrkopf 1 tragende Bohrgestänge in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Der Laserbohrkopf 1 und das Bohrgestänge 2 befinden sich in einem in eine Gesteinsformation 3 eingebrachten Bohrloch 4 mit einer Bohrlochwand 4a und einer Bohrlochsohle 4b.
  • Der in seiner Arbeitsposition mit geringem Abstand oberhalb der Bohrlochsohle 4b gehaltene Laserbohrkopf 1 weist einen im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 5 auf, dessen Gehäusedeckel 5a mit dem Bohrgestänge 2 verbunden ist.
  • Weiterhin weist das Gehäuse 5 einen mit Abstand zur Bohrlochsohle 4b angeordneten Gehäuseboden 5b auf, der mittig mit einem Durchlasskanal 6 für einen über das Bohrgestänge 2 zugeführten und durch das Gehäuse 5 weitergeleiteten Laserstrahl 7 verbunden ist. In der Durchlassöffnung dieses Durchlasskanales 6 befindet sich eine Expanderlinse 8, die den ankommenden Laserstrahl 7 so weit aufweitet, dass die gesamte Bohrlochsohle 4b von dem Laserstrahl 7 beaufschlagt wird.
  • In dem Gehäuseboden 5b befinden sich weiterhin Heizstrahldüsen 9, die in Richtung auf die Bohrlochsohle 4b gerichtete Heizgasströme 10 erzeugen und von im Innenraum des Gehäuses 5 angeordneten elektrischen Heizeinrichtungen 11 mit Heizgas beaufschlagt werden.
  • Außerdem befinden sich in dem Gehäuseboden 5b Reinigungsdüsen 12, die parallel zur Unterseite des Gehäusebodens 5b in Richtung auf die mittig angeordnete Expanderlinse 8 ausgerichtet sind und von einem im Inneren des Gehäuses 5 befindlichen Stickstoff-Sammelbehälter 13 mit sauberem, gasförmigem Stickstoff als Reinigungsgasstrom 14 zum Sauberhalten der Expanderlinse 8 versorgt werden.
  • Weiterhin weist das Gehäuse 5 des Laserbohrkopfes 1 einen Gehäusemantel 5c auf, der ringsum zur Bohrlochwand 4a hin einen Ringraum für den Durchtritt eines von der Bohrlochsohle 4b aufsteigenden, mit dem abgelösten Gesteinsmaterial beladenen Fördergasstrom 15 frei lässt. Dieser Fördergasstrom 15 hat seinen Ursprung im Randbereich der vom Heizgasstrom 10 beaufschlagenden Bohrlochsohle 4b und trägt das von der Bohrlochsohle abgelöste Gesteinsmaterial aus dem Bohrloch 4 aus.
  • Zur Unterstützung dieses aufsteigenden Fördergasstromes 15 sind in dem Gehäusemantel 5c des Gehäuses 5 des Laserbohrkopfes 1 Förderstrahldüsen 16 und 17 angeordnet, die in Richtung des Fördergasstromes 15 geneigt verlaufen und vom Inneren des Gehäuses 5 her mit flüssigem und /oder gasförmigem Stickstoff beaufschlagt werden können. Soweit über die Förderstrahldüsen 16 flüssiger Stickstoff eingegeben wird, trägt dieser besonders intensiv zur Abkühlung von in dem Fördergasstrom 15 enthaltenem Gesteinsmaterial bei.
  • Um dem Laserbohrkopf 1 den Laserstrahl 7 möglichst ungedämpft zuführen zu können und um außerdem dem Laserbohrkopf 1 mit einer ausreichenden Menge an Stickstoff versorgen zu können, ist das oben erwähnte Bohrgestänge 2 speziell ausgebildet, wie nachfolgend im Einzelnen erläutert wird.
  • Dieses Bohrgestänge 2 besteht aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Rohren, nämlich:
    • einem inneren, von einem Schutzgasstrom 18 durchströmten Laser-Leitrohr 19 für den Durchtritt des Laserstrahls 7;
    • einem das Laser-Leitrohr 19 konzentrisch und mit radialem Abstand umgebenden Doppelrohr 21, dessen Ringraum 21 a von flüssigem Stickstoff durchströmte wird;
    • einem das Doppelrohr 21 konzentrisch und mit radialem Abstand umgebenden Isolationsrohr 22;
    • und einem das Isolationsrohr 22 konzentrisch und mit radialem Abstand umgebenden äußeren Schutzrohr 23.
  • Der aus sauberem Stickstoff bestehende Schutzgasstrom 18 wird dem Laser-Leitrohr 19 des Bohrgestänges 2 über im Inneren des Gehäuses 5 des Laserbohrkopfes 1 befindliche, in den Durchlasskanal 6 einmündende Eintrittsöffnungen 20 zugeführt, und zwar oberhalb von dessen Durchlassöffnung.
  • Weiterhin sind die das Doppelrohr 21 umgebenden Ringräume zum Laser-Leitrohr 19 hin und zum Isolationsrohr 22 hin evakuiert, um den durch den Ringraum des Doppelrohres 21 strömenden flüssigen Stickstoff ausreichend wärmeisoliert zu halten.
  • Der Ringraum zwischen dem äußeren Schutzrohr 23 und dem Isolationsrohr 22 ist an einen vom Gehäuse 5 des Laserbohrkopfes 1 zurückgeführten Kühlgasstrom 24 angeschlossen, welcher die Außenseite des Bohrgestänges 2 ausreichend kühlt.
  • Dabei besteht das äußere Schutzrohr 23 aus Stahl und sorgt für eine gute Stabilität und Belastbarkeit des gesamten Bohrgestänges 1. Alle im Inneren des Schutzrohres 23 befindlichen Rohre, nämlich das Laser-Leitrohr 19, das Doppelrohr 21 und das Isolationsrohr 22 bestehen demgegenüber aus karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK).
  • Weiterhin sind eines oder mehrere der vom äußeren Schutzrohr 23 umgebenen Rohre mit in der Zeichnung nicht im Einzelnen dargestellten elektrischen Leitern zur Durchleitung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen in Richtung auf den Laserbohrkopf 1 versehen.
  • Zur Vereinfachung der Handhabung des Bohrgestänge 1 ist dieses in Längenabschnitte unterteilt, die jeweils an ihren Enden durch verschraubbare Muffen-Zapfenverbindungen 25,26 miteinander verbunden werden können, wobei im Bereich dieser Muffen-Zapfenverbindungen 25,26 die einander angrenzenden Abschnitte des Laser-Leitrohres 19 sowie des Ringraumes des Doppelrohres 21 und des Ringraumes zwischen dem äußeren Schutzrohr 23 und dem Isolationsrohr 22 fluchtend und druckdicht miteinander verbunden sind. Außerdem sind dort die aneinander angrenzenden Abschnitte der elektrischen Leiter elektrisch leitend miteinander verbunden. Die in den einzelnen Abschnitten des Bohrgestänges 2 vorhandenen, zum Zwecke der Isolierung des Doppelrohres 21 evakuierten Ringräume sind demgegenüber jeweils einzeln druckdicht verschlossen und nicht miteinander verbunden.
  • Im Inneren des Durchlasskanales 6 für den Laserstrahl 7 und /oder des Laser-Leitrohres 19 sind schließlich noch mit Abstand zueinander Haltevorrichtungen 27 zur Halterung von den Laserstrahl 7 lenkenden Linsen oder Spiegelsystemen angeordnet, wobei diese Haltevorrichtungen für den Schutzgasstrom 18 durchlässig ausgebildet sind, d.h. am Rand mit entsprechenden Durchlassbohrungen versehen sind.
  • In dem Gehäuse 5 des Laserbohrkopfes 1 befinden sich mehrere in der Zeichnung nicht mit Bezugszeichen versehene Magnetventile und Volumenstromregler , die über die im Bohrgestänge 2 enthaltenen Signalleiter ansteuerbar sind und den über das Doppelrohr 21 dem Gehäuse 5 zugeführten flüssigen Stickstoff dem Bedarf entsprechend auf die Förderstrahldüsen 15, den Sammelbehälter 13 für gasförmigen Stickstoff, die Heizeinrichtungen 11 für den Heizgasstrom 10 und den Gehäuseinnenraum verteilen.. Dabei erfolgt die Steuerung und Regelung so, dass das System trotz der mit dem Laserstrahl zugeführten Energie im thermodynamischen Gleichgewicht bleibt.
  • Das in der Zeichnung dargestellte System arbeitet im Prinzip wie folgt:
    In das Laser-Leitrohr 19 wird von einem außerhalb des Bohrloches 2 befindlichen Hochleistung-Lasergenerator ein Laserstrahl 7 mit einer Leistung von 500 kW bis 700 kW eingespeist und dem Laserbohrkopf 1 zugeführt. Zugleich wird das Laser-Leitrohr 19 von unten mit dem aus sauberem Stickstoffgas bestehenden Schutzgasstrom 18 beaufschlagt, sodass der Laserstrahl auf seinem Weg zum Laserbohrkopf 1 kaum gedämpft wird. Im Laserbohrkopf 1 wird der Laserstrahl 7 sodann mithilfe der Expanderlinse 8 so weit expandiert, dass er die gesamte Bohrlochsohle 5b abdeckt.
  • Zugleich mit dem expandierten Laserstrahl 7 wird die Bohrlochsohle 4b mit dem Heizgasstrom 10 beaufschlagt, der zuvor mittels der Heizeinrichtung 11 auf eine Temperatur gebracht worden ist, die der Schmelztemperatur des an der Bohrlochsohle 4b anstehenden Gesteins nahekommt oder sogar darüber liegt. Unter der Einwirkung des Laserstrahls 7 und des Heizgasstromes 10 wird an der Oberfläche der Bohrlochsohle 4 b Gesteinsmaterial durch Aufschmelzen, Verdampfen oder Spallation abgetragen und von dem Heizgasstrom 10 an den äußeren Rand der Bohrlochsohle 4b verdrängt.
  • Dabei bildet sich in diesem Randbereich ein nach oben gerichteter, mit dem abgetragen Gesteinsmaterial beladener Fördergasstrom 15, der durch den Ringraum zwischen dem Gehäusemantel 5c und der Bohrlochwand 4a nach oben drängt.
  • In diesen aufsteigenden Fördergasstrom wird sodann mithilfe der Förderstrahldüsen 16 und 17 flüssiger Stickstoff und/ oder gasförmiger Stickstoff eingeblasen, wodurch der Fördergasstrom 15 gekühlt und zugleich intensiviert wird. Dieser mit dem Gesteinsmaterial beladener Fördergasstrom 15 wird anschließend über den Ringraum zwischen dem Bohrgestänge 2 und der Bohrlochwand 4a aus dem Bohrloch 2 ausgetragen.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1 - Laserbohrkopf
    • 2 - Bohrgestänge
    • 3 - Gesteinsformation
    • 4 - Bohrloch, 4a - Bohrlochwand , 4b - Bohrlochsohle
    • 5 - Gehäuse, 5a - Gehäusedeckel, 5b - Gehäuseboden, 5c - Gehäusemantel
    • 6 - Durchlasskanal
    • 7 - Laserstrahl
    • 8 - Expanderlinse
    • 9 - Heizstrahldüsen
    • 10 - Heizgasstrom
    • 11 - Heizeinrichtung
    • 12 - Reinigungsdüse
    • 13 - Sammelbehälter für Stickstoffgas
    • 14 - Reinigungsgasstrom
    • 15 - Fördergasstrom
    • 16 - Förderstrahldüsen
    • 17 - Förderstrahldüsen
    • 18 - Schutzgasstrom
    • 19 - Laser-Leitrohr
    • 20 - Eintrittsöffnungen
    • 21 - Doppelrohr
    • 22 - Isolationsrohr
    • 23 - Schutzrohr
    • 24 - Kühlgasstrom
    • 25/26 - Muffen-Zapfenverbindung
    • 27 - Halteeinrichtungen

Claims (13)

  1. Verfahren zum Einbringen eines Bohrloches (4) in eine Gesteinsformation (3) durch Beaufschlagen der Bohrlochsohle (4b) mit einem Laserstrahl (7), der von einem außerhalb des Bohrloches befindlichen Laserstrahlgenerator erzeugt wird und mittels geeigneter Hilfsmittel einem an der Bohrlochsohle (4b) befindlichen, mit einem Bohrgestänge (2) verbundenen Laserbohrkopf (1) zugeführt wird, wobei dem Laserbohrkopf (1) über das Bohrgestänge (2) Stickstoff zugeführt wird , der aufgeteilt wird in
    - einen als Schutzgasstrom (18) dienenden Teilstrom, der den durchtretenden Laserstrahl (7) gegen behindernde Schwebstoffe schützt,
    - und einen weiteren, als Fördergasstrom (15) dienenden Teilstrom, der das an der Bohrlochsohle (4b) abgelöste Gesteinsmaterial über einen zwischen Bohrgestänge (2) und Bohrlochwand (4a) verbleibenden Ringraum aus dem Bohrloch (4) austrägt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Laserstrahl (7) dem Laserbohrkopf (1) über ein sich über die Länge des Bohrgestänges erstreckendes Laser-Leitrohr (19) zugeführt wird, dessen freier Querschnitt vom Schutzgasstrom (18) durchströmt wird,
    dass der Stickstoff dem Laserbohrkopf (1) über das Bohrgestänge (2) in flüssigem Aggregatzustand zugeführt wird und im Bereich des Laserbohrkopfes (1) in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird,
    und dass von dem zugeführten Stickstoff zusätzlich ein weiterer, als Heizgasstrom (10) dienender Teilstrom abgezweigt wird, der mittels einer dem Laserbohrkopf (1) zugeordneten elektrischen Heizeinrichtung (11) beheizt und gegen die vom Laserstrahl (7) beaufschlagte Bohrlochsohle (4 b) gerichtet wird.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördergas zusätzlich flüssiger Stickstoff verwendet wird, der im Bereich des Laserbohrkopfes (1) in den von der Bohrlochsohle(4b) zurückfließenden und mit dem von der Bohrlochsohle(4b) abgelösten Gesteinsmaterial beladenen Fördergasstrom (15) eingespritzt wird und dort unter Abkühlung des Fördergasstroms (15) und des darin befindlichen Gesteinsmaterials in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird.
  3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass von dem dem Laserbohrkopf (1) zugeführten Stickstoff ein weiterer, als Kühlgasstrom (24) dienender Teilstrom abgezweigt wird, der über das Bohrgestänge (2) aus dem Bohrloch (4) herausgeführt wird und dabei das Bohrgestänge (2) von innen kühlt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem dem Laserbohrkopf (1) zugeführten Stickstoff ein weiterer, als Reinigungsgasstrom (14) dienender Teilstrom abgezweigt wird, der die der Bohrlochsohle (4b) zugewandte Laserstrahl-Austrittsöffnung des Laserbohrkopfes (1) sauber hält.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrgestänge (2) aufweist:
    - ein von dem Schutzgasstrom (18) durchströmtes Laser-Leitrohr (19) für den Durchtritt des Laserstrahls (7),
    - ein das Laser-Leitrohr (19) konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes Doppelrohr (21), dessen Ringraum vom flüssigen Stickstoff durchströmt wird,
    - ein das Doppelrohr (21) konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes Isolationsrohr (22),
    - und ein das Isolationsrohr (22) konzentrisch und mit radialem Abstand umgebendes äußeres Schutzrohr (23),
    wobei
    - die das Doppelrohr (21) umgebenden Ringräume evakuiert sind,
    - der Ringraum zwischen dem äußeren Schutzrohr (23) und dem Isolationsrohr (22) an einen vom Laserbohrkopf (1) zurückgeführten Kühlgasstrom (24) angeschlossen ist
    - und eines oder mehrere der vom äußeren Schutzrohr (23) umgebenen Rohre mit elektrischen Leitern zur Durchleitung von elektrischer Energie und elektrischen Signalen zum Laserbohrkopf (1) versehen sind.
  6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Schutzrohr (23) aus Stahl und die im Inneren des Schutzrohres (23) angeordneten Rohre aus karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestehen.
  7. Vorrichtung den Patentansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrgestänge (2) in Längenabschnitte unterteilt ist, die jeweils an ihren Enden durch verschraubbare Muffen-Zapfen-Verbindung (25,26) miteinander verbunden sind, wobei im Bereich dieser Muffen-Zapfen-Verbindungen (25,26)
    - die aneinander angrenzenden Abschnitte des Laser-Leitrohres (19) sowie des Ringraumes des Doppelrohres (21) und des Ringraumes zwischen dem äußeren Schutzrohr (23) und dem Isolationsrohr (22) fluchtend und druckdicht miteinander verbunden sind,
    - die aneinander angrenzenden Abschnitte der elektrischen Leiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind,
    - und die aufeinanderfolgenden Abschnitte der das Doppelrohr (21) umgebenden, evakuierten Ringräume ohne Verbindung miteinander druckdicht verschlossen sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbohrkopf (1) ein Gehäuse (5) aufweist, dessen Gehäusedeckel (5a) an dem äußeren Schutzrohr (23) des Bohrgestänges (2) befestigt ist, wobei das Gehäuse (5) weiterhin versehen ist mit:
    - einem durch das Gehäuse (5) verlaufenden, sich an das Laser-Leitrohr (19) des Bohrgestänges (2) anschließenden Durchlasskanal (6) für den Laserstrahl, dessen Austrittsöffnung im Bereich des Gehäusebodens (5b) durch eine Expanderlinse (8) lichtdurchlässig abgedeckt ist,
    - im Gehäuseinnenraum angeordneten, an den Ringraum des Doppelrohres (21) des Bohrgestänges (2) angeschlossene Einrichtungen für die Weiterleitung und/oder Verdampfung des ankommenden flüssigen Stickstoffs sowie für die Speicherung und Aufteilung von gasförmigem Stickstoff auf die verschiedenen, vorgesehenen Teilströme,
    - im Gehäusemantel (5c) angeordneten, in Strömungsrichtung des Fördergasstromes geneigt verlaufenden Förderstrahldüsen (16,17) für die Einspritzung von flüssigem und/oder gasförmigem Stickstoff in den Fördergasstrom (15),
    - im Gehäuseboden (5b) angeordneten, in Richtung auf die Bohrlochsohle (4b) gerichteten Heizstrahldüsen (9) für den Heizgasstrom (10)
    - einer im Gehäuseinnenraum angeordneten elektrischen Heizeinrichtung (11) für den Heizgasstrom (10)
    - sowie mit Magnetventilen und Volumenstromreglern für die Steuerung und Regelung aller Stickstoff-Teilströme.
  9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der als Kühlgasstrom (24) dienende Teilstrom durch den Gehäuseinnenraum verläuft, wobei der Gehäuseinnenraum mit dem Ringraum zwischen dem äußeren Schutzrohr (23) und dem Isolationsrohr (22) des Bohrgestänges (2) in Verbindung steht.
  10. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseboden (5b) Reinigungsdüsen (12) für einen als Reinigungsgasstrom (14) dienenden Teilstrom angeordnet sind, der parallel zur Unterseite des Gehäusebodens (5b) verläuft und auf die die Durchlassöffnung für den Laserstrahl abdeckende Expansionslinse (8) ausgerichtet ist.
  11. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (5) des Laserbohrkopfes der Durchlasskanal (6) für den Laserstrahl (7) mit Eintrittsöffnungen (20) für den als Schutzgasstrom (18) dienenden Teilstrom versehen ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines durch das Gehäuse (5) verlaufenden, sich an das Laser-Leitrohr (19) des Bohrgestänges (2) anschließenden Durchlasskanales (6) für den Laserstrahl (7), dessen Austrittsöffnung im Bereich des Gehäusebodens (5b) durch eine Expanderlinse (8) lichtdurchlässig abgedeckt ist, und/oder des Laser-Leitrohres (19) mit Abstand zueinander Haltevorrichtungen (27) zur Halterung von den Laserstrahl (7) lenkenden Linsen und/oder Spiegelsystemen angeordnet sind, wobei diese Haltevorrichtungen (27) für den Schutzgasstrom (18) gasdurchlässig ausgebildet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Durchlasskanales (6) für den Laserstrahl (7) und/oder des Laser-Leitrohres (19) mit Abstand zueinander Haltevorrichtungen (27) zur Halterung von den Laserstrahl (7) lenkenden Linsen und/oder Spiegelsystemen angeordnet sind, wobei diese Haltevorrichtungen (27) für den Schutzgasstrom (18) gasdurchlässig ausgebildet sind.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119187874A (zh) * 2024-11-26 2024-12-27 深圳公大激光有限公司 一种厚板材料激光焊接系统和方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4541055A (en) * 1982-09-01 1985-09-10 Westinghouse Electric Corp. Laser machining system
JPS62224489A (ja) * 1986-03-26 1987-10-02 Mitsubishi Electric Corp レ−ザ光学系保護装置
JP2002033540A (ja) * 2000-06-14 2002-01-31 Lambda Physik Ag レーザシステム
US20050077090A1 (en) * 2003-08-13 2005-04-14 Ramamurthy Viswanadham Apparatus and method for selective laser-applied cladding
RU2522016C2 (ru) * 2008-08-20 2014-07-10 Форо Энерджи Инк. Способ и система для проходки ствола скважины с использованием лазера большой мощности
US8627901B1 (en) * 2009-10-01 2014-01-14 Foro Energy, Inc. Laser bottom hole assembly
DE102008049943A1 (de) * 2008-10-02 2010-04-08 Werner Foppe Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzbohren
DE102014106843B4 (de) * 2014-05-15 2020-09-17 Thyssenkrupp Ag Verfahren zum Einbringen eines Bohrlochs
CN104775759B (zh) * 2015-04-28 2016-11-30 中石化石油工程机械有限公司研究院 一种综合破岩钻头
CN106837176B (zh) * 2017-03-22 2023-10-03 中国矿业大学(北京) 一种用于钻井的激光破岩方法和装置

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AU2021299975A1 (en) 2023-02-09

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