SK50872007A3 - Zariadenie na exkaváciu hlbinných otvorov v geologickej formácii a spôsob prepravy energií a materiálu v týchto otvoroch - Google Patents

Description

Zariadenie na exkaváciu hlbinných otvorov v geologickej formácii a spôsob prepravy energií a materiálu v týchto otvoroch

Doterajší stav techniky

V súčasnosti sa realizuje fažba ropy, plynu a geologické, resp. geotermálne sondovanie vrtnými súpravami, kde rozrušenie horniny je vykonávané otáčajúcimi sa vrtnými hlavicami. Tie sú upevnené na konci súprav spojených základných potrubí a na povrchu otáčané pohonnými jednotkami. Rozrušená hornina sa dopravuje na povrch špeciálnou tekutinou obiehajúcou v potrubí a vo vyvŕtanom otvore. V minulosti už boli vykonané pokusy umiestniť pohonné jednotky v blízkosti vrtnej hlavice a privádzať energiu z povrchu. Doprava rozrušenej horniny sa však uskutočňovala klasickým spôsobom - vysoko viskóznou, rýchlo obiehajúcou tekutinou.

Najmä v posledných desiatich rokoch sa hľadali nové metódy efektívnejšieho realizovania rozrušovania horniny a jej prepravy na povrch.

Najnovšia štúdia MIT (USA) „THE FUTURE OF GEOTHERMAL ENERGY“ - IMPACT OF ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEMS (EGS) ON THE UNITED STATES IN THE 21 ST CENTURY 2006 - poukazuje na zásadný význam vyriešenia ekonomickej technológie vŕtania hĺbkových geotermálnych vrtov. Cena vrtu pri použití súčasných vrtných technológií rastie exponenciálne s hĺbkou. Preto je naliehavou výzvou nájdenie vrtnej technológie, použitím ktorej by cena vrtu rástla približne lineárne s hĺbkou vrtu.

Spoluautor zmienenej štúdie, Jefferson Tester, vo svojej prezentácii charakterizuje požiadavky na novú, rýchlu a ultra hĺbkovú vrtnú technológiu takto:

- cena vŕtania rastie lineárne s hĺbkou

- neutrálne plávajúca vrtná os

- schopnosf vŕtať vertikálne alebo šikmo do hĺbok až nad 20 km

- schopnosf vŕtať veľké priemery až päť krát väčšie ako na povrchu

- paženie formované na mieste vo vrte

Je známych vyše dvadsať inovatívnych technológií vŕtania geologických formácií rôznej vyspelosti a stupňa overenosti.

V stave techniky popíšeme len najsľubnejšie, alebo už overované technológie.

PREHĽAD SÚČASNÝCH TECHNOLÓG!

Technológie je možné hodnotiť aj podľa takých vlastností ako je potrebná špecifická energia na vyťažený centimeter kubický, dalej maximálny výkon uplatniťeľný na dne vrtu, alebo maximálna dosiahnuteľná rýchlosť vŕtania.

Na popredných miestach z týchto hľadísk sú mechanické princípy, elektroiskrové výboje vo vode a rezanie vodným lúčom.

Medzi extrapolačné riešenia, ktoré ešte nemajú vlastnosti radikálnej inovácie potrebnej na hĺbkovú geotermiu, možno zaradiť ako príklady:

-technológie vŕtania pomocou otáčavého poženia (TESCO CASING DRILLING) odstraňujú jednu sústavu potrubí, ale nie podstatné negatíva mechanického vŕtania:

- technológia cievkového kompozitného potrubia s elektrickým vedením pre pohon vŕtania na dne vrtu [ HALLIBURTON/STATOIL- ANACONDA) - technológia odstraňuje otáčajúci sa element vrtného potrubia na prenos mechanickej energie, ostáva len funkcia výplachu drviny horniny.

Značný pokrok smerom k významnej inovácii je US Pat 5771984, ktorého autorom je Jefľerson Tester a kol.: „CONTINUOUS DRILLING OF VERTICAL BOREHOLES BY THERMAL PROCESSES: ROCK SPALLATION AND FUSION, kde energia k vrtnej súprave na dne je dodávaná tlakovou vodou pre výplach vrtu a pre pohon turbíny a výrobu elektrickej energie na vlastný proces vŕtania tepelným štiepaním skaly alebo jej tavením. Na tomto vynáleze je založená aj náplň firmy Potter Drilling LLC, ktorej technológie sú už v štádiu skúšok prototypov.

Príbuzné technológie sú popísané v US Pat 5107936 ROCK MELT1NG EXCAVATION PROCESS. Autor Werner Foppe popisuje proces tavením skaly po obvode vrtu, vtlačením taveniny do jadra a následným rozbitím jadra. Ten istý autor v US Pat 6591920 popisuje tavenie horniny a jej vtláčanie do okolitej skaly.

Rezanie skaly prúdom plazmy popisuje US Pat 3788703 autora Thorpe. Nerieši však odsun skalnej drviny.

Na Univerzite v Tel Aviv, autori Jerby a kol.: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97 (2004) riešia proces štiepaním skaly lokálnym prehriatím mikrovlnami. Technológia je zatiaľ vhodná len pre veľmi malé objemy.

Najväčšou skupinou patentov je pokrytá technológia rezania skaly, rep.horniny vodným lúčom.·

Popisované sú varianty rôznych modifikácii, napríklad využitie kavitácie, vírivých procesov, kombinácie s mechanickými princípmi apod. Napríklad US Pat 5291957 popisuje proces vodného lúča v kombinácii s vírivým a mechanickým procesom.

V posledných desiatich rokoch prebieha intenzívny výskum využitia vysoko energetických laserových lúčov na dezintegráciu horniny. Jedná sa najmä o konverziu vojenských zariadení.

Energia laseru je použitá na proces tepelného štiepania, tavenia alebo odparenia horniny.

Patent japonských autorov, US Pat 6870128 - LASER BORING METHOD AND SYSTEM Kobayashi a kol. - popisuje vŕtanie laserom, kde svetelný lúč je privádzaný z povrchu optickým káblom na dno vrtu. Systém odparuje horninu čím je však daná vysoká spotreba energie.

Autori Zhiyue Xu a kol. v článku LASER SPALLATION OF ROCKS FOR OIL WELL DRILLING uverejnenom v Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004 opisujú metódu tepelného štiepania, ktorá je energeticky výhodnejšia, avšak odsun drviny sa uskutočňuje klasickým výplachom.

Metódy využitia elektrického výboja sú založené na dlhodobých skúsenostiach v iných aplikačných oblastiach. Metóda opísaná v US Pat 5425570 autora Wilkinsona G. je založená na kombinácii elektrického výboja a následného výbuchu malej dávky výbušniny alebo vyvolaného alutermického procesu.

US Pat 4741405 a US Pat 6761416 autora Moeny W. opisuje použitie viacnásobných elektród s vysokonapäťovým výbojom vo vodnom prostredí, pričom odsun rozdrobenej horniny je uskutočňovaný klasickým výplachom.

Obdobná metóda je popísaná aj v US Pat 6935702 autorov Okazaki a kol. CRUSHING APPARATUS ELECTRODE AND CRUSHING APPARATUS za použitia klasického výplachu.

Autor Usov A.F. opisuje použitie elektrického výboja na vŕtanie veľkých priemerov vyše 1 m s rýchlosťou až niekoľko m/hod. realizovaných vo Vedeckom centre Kola Ruskej Akadémie vied.

V patente RU 2059436 Cl autor Maslov V.V. opisuje generovanie vysokonapäfových impulzov na deštrukciu materiálov.

Autori Hirotoshi a kol. v článku Pulsed Electric Breakdown and Destruction of Granite uverejnenom vJpn.J. Appl.Phys. Vol.38 (1999) 6502-6505 opisujú úspešné použitie elektrického výboja na typickej geotermálnej hornine - žule.

Zdvíhanie ťažkých bremien pod hladinou mora je popísané v US Pat 4422801 BUOYANCY SYSTEM FOR LARGE SCALE UNDERWATER RISERS autorov Hale a kol., kde až do hĺbok vyše 3000 m premenlivým vztlakom balastových nádrží sa s veľkými nákladmi dosahujú efektívne manipulácie.

V US Pat 5286462 autora Olson J. sa popisuje systém rýchleho generovania plynu pre rýchle vyprázdňovanie balastných nádrží na využitie vztlaku na manipulácie s nákladmi.

Aparatúra na hĺbkové stimulovanie na dne vrtu je popísaná v US Pat 4254828 APPARATUS FOR PRODUCING FRACTURES AND GAPS IN GEOLOGICAL FORMATIONS FOR UTILIZING THE HEAT OF THE EARTH autorov Sowa a kol. je popísaný význam generovania tlaku na dne vrtu autonómnym energo systémom. Obdobne aj US Pat 7017681 Autorov Ivannikov a kol. je popísaný autonómny systém stimulácie hydrodynamickými účinkami na dne vrtu.

Z hľadiska realizácie kontinuálnej produkcie poženia súčasný stav techniky poskytuje vhodné východisko, pretože už boli vyvinuté a uvedené do praxe pod vodou rýchlo tuhnúce, vysoko pevné betónové zmesy, najmä pre vojenské účely. Takéto betóny boli vyvinuté aj pre uskladňovanie nebezpečných odpadov.

ZHRNUTIE STAVU SÚČASNÝCH TECHNOLÓGIÍ

Žiadna z týchto metód však nedosiahla cieľ podstatnej úspory pri vykonávaní vrtu, pretože proti pôsobilo súčasne niekoľko faktorov:

• problém dopravy vyťaženého materiálu na povrch ostával nevyriešený, • problém zásobovania energiou, • problém energetickej náročnosti potreby rozdrviť na drobné častice celý objem vrtu, či dokonca v laserových technológiách celý objem odpariť.

Proti efektívnosti týchto technológií pôsobí oj prítomnosť tekutiny (vody, viskóznej dopravnej tekutiny) vo vrte. Prívody energie boli riešené napr. prívodom tlakovej vody, prívodom elektrickej energie káblom, alebo kompozitným výplachovým potrubím, svetlovodnými káblami pre prívod vysokoenergetickej laserovej energie. Všetky uvedené technológie predpokladajú určité trvalé, neustále predlžované spojenie vŕtaného dna s povrchom. Obdobne aj transport rozrušenej horniny je stále závislý od predlžovaného potrubia transportného média.

Rovnako dôležitou súčasťou vrtu je poženie stien vrtu postupne vkladanými potrubiami, ktoré sa navyše s dĺžkou vrtu zužujú a tak znižujú celkovú priepustnosť a prispievajú k neúmerne zvyšujúcej sa cene v závislosti od hĺbky vrtu. V poslednej dobe bol urobený vývoj expandovateľného poženia s rovnakým priemerom v celom vrte , čo však rieši problém exponenciálnej ceny vrtu len čiastočne.

Žiadna z dodnes popísaných vŕtacích technológií nepriniesla inováciu, ktorá by podstatným spôsobom zmenila efektívnosť celého procesu vŕtania, efektívnosť transportu rozrušenej horniny na povrch a ktorá by zabezpečila vŕtanie do veľkých hĺbok (nad 5 km) pri garantovaní približne lineárnej cenovej závislosti.

Z tohto stavu vyplýva, že takáto technológia, ktorá by podstatným spôsobom riešila nevýhody súčasného stavu v nasledujúcich aspektoch, je vysoko potrebná:

• Doprava energie smerom dole k vŕtaciemu procesu.

• Doprava rozrušenej horniny smerom k povrchu tak, aby sa prerušilo priame kontinuálne fyzické prepojenie medzi povrchom avŕtacou aparatúrou na dne vrtu spôsobom nezávislým od aktuálnej hĺbky vrtu.

• Proces poženia by bol vykonávaný kontinuálne a paralelne s procesom vytvárania otvoru.

• Dosiahnutie energetickej úspornosti rozrušovania horniny a jej dopravy na povrch.

• Možnosť rezania horniny na bloky a ich dopravu na povrch.

• Funkčnosť zariadenia aj pri vysokých tlakoch a teplotách v tekutinou zaplavenom vrte (otvore v hornine).

Podstata vynálezu

1) ' Vyššie uvedené nevýhody odstraňuje do značnej miery zariadenie a spôsob podľa vynálezu, ktoré využíva na operácie rezania horniny a iné činnosti no dne vytváraného otvoru zdroj energie z energonosiča dopraveného z povrchu transportným modulom, ktorý taktiež dopravuje materiál z dna na povrch a opačne, pozostávajúce z:

a) podzemnej bázy vykonávajúcej operácie na dne vytváraného otvoru;

b) transportného modulu na dopravu nákladu medzi podzemnou bázou a povrchovou bázou oboma smermi;

c) povrchovej bázy pre nakladanie a vykladanie transportného modulu, doplňovanie pracovnej tekutiny do vŕtaného otvoru a servisné operácie;

d) otvoru v geologickej formácii naplneného tekutinou slúžiacou ako prostriedok pre dopravu.

2) Zariadenie podľa bodu 1) kde podzemná báza pozostáva ďalej z aspoň jedného zo vzájomne prepojených modulov:

a) modulu rezania, ktorý zahrňuje zostavu prvkov tvoriacich rezaciu súpravu na rezanie horniny tenkými rezmi pomocou spôsobu vybraného z nasledujúcej skupiny: tlakového vodného lúča, elektrického výboja s tlakovou vlnou, laserom, tepelným štiepaním, plazmovým lúčom, mechanickým drvením alebo iným rezným nástrojom, ďalej zostavu prvkov no manipuláciu rozdrvenej a rozrezanej horniny v podzemnej báze a v transportnom module;

b) modulu generovania pracovného média a energie pre proces rezania a manipulovania s odrezanými blokmi a reznou drvinou a pre činnosti iných modulov podzemnej bázy;

c) vedenia, potrubia a vodičov pre rozvody energie o materiálu medzi aspoň dvoma z nasledujúcich častí: podzemnou bázou, resp. niektorými z jej modulov a transportným modulom;

d) zdroja energie;

e) komunikačného modulu;

f) modulu stimulácie okolitej horniny pre vytváranie umelých puklín, napríklad pre potrebu geotermálneho výmenníka;

g) modulu posunu podzemnej bázy v otvore v nadväznosti na rezný proces, proces vytvárania paženia a proces prepravy horniny;

h) modulu kontinuálnej produkcie paženia otvoru, ktorý spracováva časť drviny, dopravený materiál z povrchu a vodu na zmes, ktorá je extrudovaná a potom tvarovaná posuvným debnením;

i) vztlakovej nádrže, ktorá je použitá pre návrat podzemnej bázy na povrch po zakončení hĺbenia otvoru alebo v prípade nutnej opravy;

j) konektorov prepojenia s transportným modulom pre prenos signálov, médií, materiálov a energií;

k) prechodového kanála prechádzajúceho od horniny až po konektory transportného modulu;

l) riadiacej jednotky podzemnej bázy pre riadenie činnosti a súčinností modulov.

3) Zariadenie podľa bodu 1) kde transportný modul pozostáva ďalej z aspoň jedného z nasledujúcich modulov:

a) vztlakového modulu s riadeným vztlakom z nagenerovaného tlakového plynu z procesu rezania resp. generátora plynu, resp. tekutiny ľahšej ako pracovná tekutina;

b) modulu autonómneho pohonu využívajúci palivo na’ reaktívny alebo mechanický pohon;

c) modulu pohonu využívajúceho pretlak pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze;

d) modulu zabezpečujúceho zníženie trenia transportného modulu vo vzfahu s pracovnou tekutinou v otvore;

e) modulu generovania plynu do vztlakového modulu;

f) modulu generovania tlaku pre pohon paliva do rezného modulu;

g) zdroja energie;

h) riadiacej jednotky transportného modulu:

i) komúnikačného modulu;

j) nádrže pre energonosič;

k) nádrže pre materiál;

l) nádrže pre drvinu horniny;

m) nádrže pre bloky horniny;

n) vedenia a konektoru plynu z rezného procesu;

o) vedenia a konektoru paliva a energie pre rezný a manipulačný proces vrátane filtrov na pracovné médiá.

Obal transportného modulu je tvarovaný tak, aby vytváral kĺzavý hydrodynamický vztlak v súčinnosti so stenou otvoru a tak, aby využíval superkavitačný jav pre dosahovanie vysokých rýchlostí v pracovnej tekutine.

4] Zariadenie podľa bodu 2) kde modul kontinuálnej produkcie poženia pozostáva ďalej z:

a) modulu produkcie zmesy z drviny horniny, z povrchu prepraveného materiálu a vody;

b) otvorov, konektorov pre prísun materiálu;

c) otvorov, konektorov pre extrudovarie zmesy;

d) posuvného debnenia pre tvarovanie zmesy do formy paženia.

5) Zariadenie podľa bodu 3) kde pretlak v transportnom module pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze je využívaný na pohon pre zrýchlenie pohybu transportného modulu.

ó) Zariadenie podľa bodu 3) kde modul na vytváranie kavitačného ventilačného prúdu zabezpečujúci zníženie trenia transportného modulu vo vzfahu s tekutinou v otvore ventilovanou superkavitáciou na dosahovanie vysokých rýchlostí vo vode využíva aspoň jednu z nasledujúcich možností:

a) pretlak v transportnom module pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze;

b) tlakové médium vznikajúce v module autonómneho pohonu pri použití paliva na reaktívny alebo mechanický pohon;

c) generátor plynu;

na vytvorenie a stabilizáciu superkavitačného javu za prispenia zvýšenej teploty obalu transportného modulu, pričom prerušenie superkavitačného javu je využité na hydrodynamický brzdiaci účinok pre zníženie rýchlosti modulu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázkoch je postupne uvedený najprv súčasný stav techniky a následne niektoré výhodné prevedenia vynálezu.

Na obr. 1 je znázornený doterajší stav techniky hĺbenia otvoru v geologickej formácii.

V geologickej formácii 1.1 je vytváraný otvor 1.4 pomocou torzného potrubia 1.2, na dolnom konci ktorého je upevnená vrtná hlavica 1.3 vybavená špeciálnymi vysoko odolnými zubami. Torzné potrubie je zložené z viacerých častí sekcií spojených spojmi 1.5 a nadstavuje sa stále úmerne dosahovanej hĺbke otvoru.

Torzné potrubie 1.2 je otáčané pohonom 1.9 cez prevodné zariadenie 1.8. Do torzného potrubia je vháňaná tekutina 1.11 najmä voda, často však vysokoviskózna kašovitá hmota, ktorá transportuje ostatným priestorom otvoru vrtný materiál na povrch (výplach), kde sa zvyčajne hornina 1.10 oddeľuje a tekutina 1.11 sa zachycuje.

Do vyvŕtaného otvoru 1.4 sa zvyčajne zasúva poženie - potrubie 1.2 zostavené z častí spojených spojmi 1.13.

Manipulácia s časfamí torzného potrubia a časťami potrubia poženia sa vykonáva pomocou vrtnej veže 1.7 vybavenej žeriavom a otočným úchytom.

V niektorých prevedeniach podľa súčasného stavu je vŕtacia hlavica 1.3 vybavená autonómnym pohonom s prívoáom energie z povrchu cez torzné potrubie 1.2, ktoré sa neotáča.

Na obr. 2 je zobrazené jedno výhodné prevedenie zariadenia a jeho hlavných súčastí podľa vynálezu.

Zariadenie na hĺbkovú exkaváciu horniny v geologickej formácii 2.1 hĺbi otvor 2.2 zaplnený tekutinou. Pozostáva z podzemnej bázy 2.3, ktorá podstatne tenkými rezmi reže na bloky horninu 2.6 na dne otvoru 2.2, potom podzemná báza 2.3 presunie vyrezaný blok cez konektory 2.5 do transportného modulu, t.j. prepravného kontajnera 2.4.

Prepravný kontajner 2.4 je ukotvený počas fázy nakladania konektormi 2.5 na podzemnú bázu 2.3. Počas tohto ukotvenia sa z prepravného kontajnera 2.4 presúva energetický nosič na pohon rezacieho a manipulačného procesu do podzemnej bázy 2.3.

Na konci pracovného cyklu podzemnej bázy určeného vyrezaním jednotkovej dávky blokov horniny a vyčerpaním podstatnej časti energie z energetického nosiča sa začne fáza prepravy kontajnera na povrch.

Počas pracovného cyklu podzemnej bázy 2.3 sa nádrže prepravného kontajnera 2.4 plnia plynom pri danom tlaku a teplote ľahším ako voda, v objeme potrebnom na celkový pozitívny vztlak prepravného kontajnera 2.4 aj s nákladom blokov horniny .

Po mechanickom odpojení prepravného kontajnera 2.4 tento začne stúpať pozitívnym vztlakom vo vode, ktorou je naplnený otvor 2.2 súvisle až po bránu 2.10 na povrchu, kde v povrchovej báze 2.7 je náklad vyprázdnený na výstup 2.9.

Prepravný kontajner 2.4 po naplnení energetickým nosičom, prípadne iným materiálom zo vstupu 2.8 a po naplnení vztlakových nádrží vodou cez bránu 2.10, klesá otvorom 2.4 vodou až k podzemnej báze 2.3, kde sa napojí na kontajnery 2.5.

Cyklus činnosti zariadenia sa opakuje.

Na obr. 3 je zobrazené jedno výhodné prevedenie podzemnej bázy v podrobnom zobrazení.

Na dne rezaného otvoru v hornine 3.1 je modul rezania 3.2, ktorý zahrňuje zostavu elementov tvoriacu rezaciu súpravu pre rezanie tenkých rezov rovinnej plochy, cylindrickej plochy, alebo inak zakrivenej plochy založenej na princípe rezania tlakovým vodným lúčom, laserom, plazmovým lúčom, tepelným štiepaním, elektrickým výbojom alebo iným vhodným spôsobom.

Proces rezania môže byt výhodne zvolený tak, aby súčasne s rezaním vytváral sklovitú hladkú povrchovú vrstvu povrchu otvoru, aby mohla slúžif ako nepriepustná vrstva pre exploatačnú fázu.

Modul môže obsahoval časti prenikajúce hlboko do rezov v hornine, ktoré sú súčasťou rezacieho alebo manipulačného procesu.

Podzemná báza ďalej zahŕňa modul generovania pracovnej formy energie 3.3 ako napríklad formy energie potrebnej pre proces rezania, manipulovania s odrezanými blokmi, resp. reznou drvinou a vhodné spojenia prenosu energie. Modul podzemnej bázy je aj zdrojom foriem energie pre iné moduly, s ktorými je spojený vhodnými vedeniami. Takýmto modulom môže byť spaľovací agregát vytvárajúci vysoký tlak priamo pre rezný proces alebo spaľovací agregát napojený na turbínu a výrobu elektrickej energie.

Modul stimulácie 3.4 riadenou reakciou nosiča energie vytvára vysoký tlak vody na okolie pre vytvorenie procesu stimulácie okolitej horniny.

Modul posunu sústavy 3.5 pre zaistenie riadeného posunu celej podzemnej bázy v otvore pre postup v nadväznosti no vykonávanie procesu rezania a odsunu rezaných blokov horniny.

Transportný modul 3.6 je kontajner zahrňujúci niektoré moduly z nasledovnej množiny: vztlakové nádrže, nádrže pre nosiče energie, zdroje energie, priestory pre bloky horniny, drveninu a pre iný transportovaný materiál. Modul obsahuje konektory s ostatnými modulmi, riadiacu jednotku, komunikačný modul a vedenia pre nosiče energie do ostatných modulov cez konektory.

Modul kontinuálnej produkcie paženia 3.7 otvoru je spojený s rezacím modulom odkiaľ je dopravená drvina zrezanej horniny ako základný materiál výroby paženia, dalej s modulom pracovného média 3.3 a s transportným modulom 3.6. Súčasťou modulu kontinuálneho paženia 3.7 je aj posuvné debnenie pre výrobu paženia 3.8,

Z modulu kontinuálnej produkcie paženia 3.7 vychádza základná hmota ktorá sa dotvarováva až počas zatuhnutia, častou posuvného debnenia 3,8 a tvorí po zatuhnutí pevnú vrstvu paženia 3.9.

Celou výškou podzemnej bázy od horniny, po transportný modul 3.6 prechádza prechodový kanál 3.10, ktorý je použitý na premiestnenie vyrezaných blokov horniny 3.11 do transportného modulu 3.6.

Človeku zbehlému v tejto oblasti techniky je zrejmé, že nie je dôležité v akom poradí sú usporiadané moduly a funkcie v podzemnej báze.

Je zrejmé, že vzájomné veľkosti modulov 3.2 až 3.11 na obrázku nemusia byť v rôznych prevedeniach dodržané a sú len ilustratívne.

Na obrázkoch 4, 4a je zobrazený transportný modul 4.1 v texte tiež tunkcionálne nazývaný kontajner.

Transportný modul 4.1 je celok, ktorý realizuje prepravu z povrchu na dno a zo dna na povrch, na princípe vztlaku v tekutine. Z povrchu na dno prepravuje transportný modul 4.1 nosič energie a rôzne materiály (spojivo na poženie, filtre). V tomto režime je transportný modul ťažší ako tekutina a klesá na dno. Vztlakové nádrže sú naplnené vodou alebo energetickým nosičom.

Zo dna na povrch prepravuje transportný modul 4.1 vyrezanú horninu, v blokoch alebo ,drvine·, a použité časti zariadenia. Vztlakové nádrže sú naplnené vzduchom, alebo plynom - spáleninami rezacieho procesu, resp. špeciálne generovaného plynu z nálože.

Na obrázku 4 je zobrazené jedno výhodné prevedenie transportného modulu 4.1, ktorý sa skladá zo vztlakového modulu 4.2 v rôznych pomeroch naplnenia plynom a vodou podľa fázy činnosti transportného modulu. Ďalej sa transportný modul 4.1 skladá zriadiacej jednotky 4.6 a z modulu generovania tlaku plynu 4.5 obsahuje funkciu generovania tlaku pre pohon paliva 4.7 do pracovného rezacieho zariadenia.

Transportný modul 4.1 cíalej obsahuje nádrže paliva 4.7 a nádrže na prepravovaný materiál z povrchu k podzemnej báze 2.3.

Transportný modul 4.1 obsahuje aj nádrž na prepravu rozdrvenej horniny 4.9 a nádrž na prepravu blokov horniny 4.10.

Pre spojenie nádrží paliva 4.7 s podzemnou bázou 2.3, modul 4.1 obsahuje potrubie, vodič a konektor paliva 4.11.

Pre spojenie podzemnej bázy 2.3 a transportného modulu 4.1 tento obsahuje potrubie, vodič a konektor plynu 4.12, ktorým sa splodiny rezného procesu privádzajú do priestoru vztlakového modulu 4.2.

Transportný modul dalej obsahuje modul zabezpečujúci zníženie trenia 4.13 transportného modulu vo vzfahu s tekutinou v otvore.

Transportný modul obsahuje modul autonómneho pohonu 4.14 využívajúci palivo na reaktívny, alebo mechanický pohon.

Transportný modul dálej obsahuje modul generovania plynu do vztlakového modulu 4.15.

Transportný modul ďalej obsahuje autonómny zdroj energie 4.16.

Transportný modul ďalej obsahuje komunikačný modul 4.17.

Vztlakový modul 4.2 môže byť v prevedení ako celistvá nádrž alebo výhodne ako teleskopický, alebo vlnovcove expandovateľná nádrž zobrazená na obr. 4.

Να obrázku 4α je zobrazené iné výhodné usporiadanie základných modulov.

Na obrázku 5 je zobrazený otvor 5.1 v hornine 5.2, ktorý je zaliaty vodou, v ktorom sa pohybujú transportné moduly 5.3 a 5.4 vzájomne protismerne.

Transportných modulov 5.3 a 5.4 sa môže pohybovať v otvore 5.1 jeden alebo väčší počet, podľa intenzity prepravy.

V profile otvoru 5.1 sa transportné moduly 5.3 a 5.4 pohybujú tak, aby neprišlo ku kolízii. Toto môže byť zabezpečené napr. riadiacou jednotkou, ktorá prijíma polarizovaný elektromagnetický signál z oproti sa pohybujúceho modulu a hydrodynamický orientuje modul do nekolíznej orientácie. Takéto jednotky sú vo všetkých transportných moduloch.

Na obrázku 5a je zobrazená situácia typická pre geotermálne vrty , kde sú vrty uskutočňované nie vertikálne ale pod určitým vhodným uhlom, napr. 45°.

Ako je zrejmé z obrázku, nekolízna orientácia a trajektória pohybu transportných modulov je zabezpečená ich samotnou podstatou. Transportný modul 5.3, ktorý sa pohybuje nadol je fažší ako voda a preto sa pohybuje pri spodnej stene otvoru 5.1.

Transportný modul 5.4, ktorý sa pohybuje nahor, je ľahší ako voda a preto sa pohybuje pri hornej stene otvoru 5.1.

Takto sa môže pohybovať súčasne niekoľko transportných modulov bez kolízie. Je výhodné, ak transportné moduly 5.3 a 5.4 majú taký tvar, aby sa zabezpečilo hydrodynamické kĺzanie po povrchu otvoru a tiež aby boli transportné moduly vybavené zo strany dotyku s povrchom otvoru napr. kolieskami, alebo tryskami (napr. pri rozbehu a dobehu transportného modulu, keď ešte nepôsobí hydrodynamický kĺzavý efekt).

Na obrázku 6 je zobrazený modul kontinuálnej produkcie paženia (casing), ktorý sa skladá z modulu produkcie zmesy 6.4, ktorá vytvára zmes z drviny horniny, spojiva privezeného z povrchu, príp. z iných prímesi (oceľové, plastové armovacie vlákna, voda a pod.).

Modul produkcie zmesy 6.4 pod tlakom cez otvory 6.6 vtláča zmes do priestoru paženia 6.2, kde v súčinnosti s posuvným debnením 6.3 zmes zatuhne a vytvára kontinuálne poženie 6.2 otvoru 6.7.

Konektory, resp. otvory 6.5 slúžia na spojenie s modulmi podzemnej bázy na prísun energie a materiálu, resp. na spojenie s transportným modulom na prísun materiálu.

Na obrázku 7 je znázornené jedno výhodné prevedenie podzemnej bázy 7.1, ktorá obsahuje aj vztlakové nádrže 7.2 pre možnú prepravu celej podzemnej bázy na povrch za účelom opráv, kontroly, výmeny a pod. V oblasti vztlakových nádrží je vytvorený spojovací kanál pre premiestnenie vyrezaných blokov horniny resp. iného materiálu oboma smermi.

Na obr. 8 je znázornené jedno výhodné vyhotovenie časti transportného modulu, kde modul generátora plynu 8.1 po uvedenj do činnosti (zapálení) generuje potrebné množstvo pomerne horúceho plynu vysokého tlaku, ktorý vytláča tekutinu z priestoru vztlakovej nádrže 8.2 cez otvory 8.5 a priestor medzi obalmi 8.4 do modulu vytvárania kavitačného ventilačného prúdu 8.3. Po vytlačení vody cez popísanú cestu pretekajú spaliny a vytvárajú ako ventilovanú kavitáciu, tak aj reaktívnu silu pohonu. Vonkajší povrch priestoru 8.4 svojou vysokou teplotou napomáha vytvárať a stabilizovaf kavitačný jav v kavitačnom prúde 8.6. Popísaný jav je použitý pri pohybe oboma smermi; v otvore zdola nahor a tiež zhora nadol.

Priemyselná využiteľnosť

Vynález je využiteľný najmä na exkaváciu hĺbkových vrtov pre účely fažby surovín a geotermálne účely. Vynález sa týka zariadenia vykonávajúceho hĺbenie vrtu spôsobom zabezpečujúcim prísun energie smerom dolu, presun horniny na povrch a poženie vytvoreného otvoru.

Využitie geotermálnej energie v hĺbkach nad 5 km by mohlo podstatne prispieť k riešeniu globálneho problému nedostatku energie a skleníkových plynov z fosílnych palív.

Vo väčšine hĺbkových vrtov sa prirodzene alebo umelo nachádza voda. Prítomnosf vody je spôsobená bud prirodzeným prienikom alebo umelým zavedením z technologických dôvodov, alebo ako kompenzácia vonkajších tlakov horniny. V takomto vodnom (tekutinou zaplavenom) prostredí sa na transport horniny smerom na povrch používajú vrtné potrubia a pumpované viskózne tekutiny.

Tekutina sa vyznačuje dávno známou vlastnosťou - pôsobením vztlaku na ponorené predmety. Vztlak pozitívny, alebo negatívny je podľa toho, či je špecifická hustota predmetu menšia alebo väčšia ako špecifická hustota tekutiny. Množstvom obsahu plynu alebo kvapaliny v predmete sa dá dosiahnuť vynáranie, alebo ponáranie predmetu. Tento jav sa používa už oddávna pri manévrovaní ponoriek, kde sa celková integrálna špecifická hustota mení zaplavením nádrží vodou (ponáranie) alebo vytláčaním vody z nádrže stlačeným plynom (vynáranie). Predmet sa vynára až po hladinu bez ďalšieho vynaloženia energie, bez ohľadu na hĺbku z ktorej sa predmet vynára. Obdobne predmet s vyššou špecifickou hmotnosťou ako voda, sa ponára do ľubovoľnej hĺbky až no dno.

Podstatou vynálezu je využitie autonómneho pohybu dopravného kontajnera transportného modulu, bez jeho fyzického spojenia s povrchom - povrchovou bázou (či už káblom, potrubím a pod.).

Kontajner vhodného tvaru z povrchu otvoru v hornine vrtu zaplneného tekutinou (vodou), môže až na dno dopravif energetické nosiče, okysličovadlo, materiál, príp. časti zariadenia.

Obdobne kontajner, ktorého časť sa naplní plynom pod tlakom, dosiahne nižšiu celkovú špecifickú hmotnosť ako voda a môže dopraviť z dna na povrch náklad, horninu, nádrže energetických nosičov prípadne časť zariadenia na výmenu, resp. servis.

Kedže doprava sa uskutočňuje kontajnerom, nemusí byt hornina rozdrobená, ale môže byť v celých, veľkých blokoch. Týmto je daný významný fakt, že oddeľovanie horniny sa môže uskutočňovať len rezmi, ktoré sú len zlomkom objemu ťaženej horniny, čo predstavuje značnú úsporu energie a unifikáciu tvarov blokov, ako aj väčší priemer vrtu.

Doprava na povrch po odštartovaní kontajneru zo dna nie je závislá na hĺbke (dĺžke prekonávanej dráhy). Kontajner stúpa neustále, až dosiahne povrch bez dodatočnej energie.

Časť odpadu zrezanej horniny, podľa vynálezu, je použitá na kontinuálne vytváranie paženia súčasne s postupom reznej aparatúry smerom do väčších hĺbok . Špeciálne spojivo je privážané z povrchu.

17-(/¹

Súčasfou podzemnej bázy, ktorá je v činnosti na dne vrtu je vlastné rezné zariadenie zásobované energiou dopravenou energonosičmi v kontajneri. Energonosičmi môžu byť palivo (tekutý vodík, etanol, benzín, iné palivo (výbušnina)) a okysličovadlo (tekutý kyslík, vzduch a pod.)

Proces spaľovania odovzdáva energiu rôznou formou do rezného procesu: turbína mechanického pohybu, tlak reznej vody, turbína na výrobu elektrickej energie na laser, štiepanie (spallation) a pod. Mechanická energia je použitá aj na manipuláciu rezanej horniny (drvina, bloky). Plynové splodiny spaľovania napĺňajú nádrže kontajnerov vytesňujú tak vodu a prispievajú k vytvoreniu potrebného vztlaku na dopravu. Kontajnery môžu byf až do momentu začiatku prepravy zaistené proti pohybu.

Potrebný celkový tlak a objem plynu na vytesnenie potrebného objemu vody je vytvorený procesom v samotnom kontajneri (regulovaný výbuch, interakcie dvoch zložiek, vytvárajúcich vysoký tlak plynu a pod.)

Zariadenie na dne vrtu - podzemná báza, okrem rezného zariadenia pozostáva zo zariadenia manipulácie dopravy horniny do kontajnera a dalej z časti zariadenia na premenu energie energetických nosičov na vhodnú použiteľnú formu energie. Ďalšou častou je riadiaca jednotka (čiastočne aj v kontajneri). Dôležitou častou je miešacie a formovacie zariadenie pre kontinuálnu tvorbu poženia.

Kontajner môže mať formu valca a priemer menší ako vnútorný priemer poženia, alebo vhodnejšie pol valca alebo iného zlomku valca (rez paralelne s osou valca). Výhodné je, aby bolo v činnosti niekoľko kontajnerov naraz pre pohyb oboma smermi súčasne.

Časí zariadenia na povrchu - povrchová báza, vykonáva vyprázdnenie kontajnera, odsun horniny a naplnenie kontajnera novými nosičmi energie, materiálmi a náhradnými časfami rezného zariadenia a iných častí zariadenia na dne vrtu.

Vyrovnávanie tlaku plynu počas stúpania kontajnera môže byť výhodne použité na dodatočný pohon kontajnera reaktívnou silou unikajúceho plynu resp. ďalšieho vztlaku rozpínaním sa plynu v kontajneri. Pretože v hĺbkach 5 až 10 a viac km je tlak tekutiny (vody) cca 500 - 1000 MPa a teploty 300 - 500 QC, musí byf celé zariadenie vrátane riadiacej jednotky schopné pri tejto teplote a tlaku pracovať a musí byť konštruované, aby neobsahovalo objemy duté alebo s nižším tlakom.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   7) Zariadenie na exkaváciu hlbinných otvorov v geologickej formácii, ktoré využíva na operácie rezania horniny a iné činnosti na dne vytváraného otvoru zdroj energie z energonosiča dopraveného z povrchu transportným modulom, ktorý taktiež dopravuje materiál z dna na povrch a opačne, pozostávajúce z:

   e) podzemnej bázy vykonávajúcej operácie na dne vytváraného otvoru;

   f) transportného modulu na dopravu nákladu medzi podzemnou bázou a povrchovou bázou oboma smermi;

   g) povrchovej bázy pre nakladanie a vykladanie transportného modulu, doplňovanie pracovnej tekutiny do vŕtaného otvoru a servisné operácie;

   h) otvoru v geologickej formácii naplneného tekutinou slúžiacou ako prostriedok pre dopravu.

   8) Zariadenie podľa bodu 1) kde podzemná báza pozostáva dolej z aspoň jedného zo vzájomne prepojených modulov:

   a) modulu rezania, ktorý zahrňuje zostavu prvkov tvoriacich rezaciu súpravu na rezanie horniny tenkými rezmi pomocou spôsobu vybraného z nasledujúcej skupiny: tlakového vodného lúča, elektrického výboja s tlakovou vlnou, laserom, tepelným štiepaním, plazmovým lúčom, mechanickým drvením alebo iným rezným nástrojom, d'alej zostavu prvkov na manipuláciu rozdrvenej a rozrezanej horniny v podzemnej báze a v transportnom module;

   b) modulu generovania pracovného média a energie pre proces rezania a manipulovania s odrezanými blokmi a reznou drvinou a pre činnosti iných modulov podzemnej bázy;

   c) vedenia, potrubia a vodičov pre rozvody energie a materiálu medzi aspoň dvoma z nasledujúcich častí: podzemnou bázou, resp. niektorými z jej modulov a transportným modulom;

   d) zdroja energie;

   e) komunikačného modulu:

   f) ' modulu stimulácie okolitej horniny pre vytváranie umelých puklín, napríklad pre potrebu geotermálneho výmenníka;

   g) modulu posunu podzemnej bázy v otvore v nadväznosti na rezný proces, proces vytvárania paženia a proces prepravy horniny;

   h) modulu kontinuálnej produkcie paženia otvoru, ktorý spracováva časf drviny, dopravený materiál z povrchu a vodu na zmes, ktorá je extrudovaná a potom tvarovaná posuvným debnením;

   i) vztlakovej nádrže, ktorá je použitá pre návrat podzemnej bázy na povrch po zakončení hĺbenia otvoru alebo v prípade nutnej opravy;

   j) konektorov prepojenia s transportným modulom pre prenos signálov, médií, materiálov a energií;

   k) prechodového kanála prechádzajúceho od horniny až po konektory transportného modulu;

   l) riadiacej jednotky podzemnej bázy pre riadenie činnosti a súčinnosti modulov.

   9) Zariadenie podľa bodu 1) kde transportný modul pozostáva ďalej z aspoň jedného z nasledujúcich modulov:

   p) vztlakového modulu s riadeným vztlakom z nagenerovaného tlakového plynu z procesu rezania resp. generátora plynu, resp. tekutiny ľahšej ako pracovná tekutina;

   q) modulu autonómneho pohonu využívajúci palivo na reaktívny alebo mechanický pohon;

   rj modulu pohonu využívajúceho pretlak pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze;

   s) modulu zabezpečujúceho zníženie trenia transportného modulu vo vzťahu s pracovnou tekutinou v otvore;

   t) modulu generovania plynu do vztlakového modulu; uj modulu generovania tlaku pre pohon paliva do rezného modulu;

   v) zdroja energie;

   w) riadiacej jednotky transportného modulu;

   x) komunikačného modulu;

   y) nádrže pre energonosič;

   z) nádrže pre materiál;

   aa) nádrže pre drvinu horniny;

   bb) nádrže pre bloky horniny;

   cc) vedenia a konektoru plynu z rezného procesu;

   dd) vedenia a konektoru paliva a energie pre rezný a manipulačný proces vrátane filtrov na pracovné médiá.

   Obal transportného modulu je tvarovaný tak, aby vytváral kĺzavý hydrodynamický vztlak v súčinnosti so stenou otvoru a tak, aby využíval superkavitačný jav pre dosahovanie vysokých rýchlostí v pracovnej tekutine.

   10) Zariadenie pódia bodu 2) kde modul kontinuálnej produkcie poženia pozostáva ďalej z:

   e) modulu produkcie zmesy z drviny horniny, z povrchu prepraveného materiálu a vody;

   f) otvorov, konektorov pre prísun materiálu;

   g) otvorov, konektorov pre extrudovanie zmesy;

   h) posuvného debnenia pre tvarovanie zmesy do formy paženia.

   11) Zariadenie podľa bodu 3) kde pretlak v transportnom module pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze je využívaný na pohon pre zrýchlenie pohybu transportného modulu.

   12) Zariadenie podľa bodu 3) kde modul na vytváranie kavitačného ventilačného prúdu zabezpečujúci zníženie trenia transportného modulu vo vzfahu s tekutinou v otvore ventilovanou superkavitáciou na dosahovanie vysokých rýchlostí vo vode využíva aspoň jednu z nasledujúcich možností:

   d) pretlak v transportnom module pri stúpaní transportného modulu z podzemnej bázy smerom k povrchovej báze:

   e) tlakové médium vznikajúce v module autonómneho pohonu pri použití paliva na reaktívny alebo mechanický pohon;

   f) generátor plynu;

   na vytvorenie a stabilizáciu superkavitačného javu za prispenia zvýšenej teploty obalu transportného modulu, pričom prerušenie superkavitačného javu je využité na hydrodynamický brzdiaci účinok pre zníženie rýchlosti modulu.