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Bohrtechnik

Geothermische Tiefbohrung. Quelle: Anger
Geothermische Tiefbohrung. Quelle: Anger
Blick auf den Steuerpult einer modernen Tiefbohranlage. Quelle: Stober.

Die verwendete Bohrtechnik hängt vom Gesteinsuntergrund und der zu erreichenden Bohrtiefe ab, für das die Bohrtechnik eine Vielzahl von Geräten entwickelt hat.

Bohrverfahren

Grundsätzlich finden zwei Verfahren Anwendung:

  • schlagendes Bohren: das Gesteinsmaterial wird durch Keilwirkung zertrümmert.
  • drehendes Bohren: das Gestein wird durch sich drehende Bohrmeißel zerspant, z. B. mit dem Rotary-Bohrverfahren.
  • Hochfrequenz-Bohrtechnik (SONIC): Das Bohrwerkzeug wird über einen Oszillator im Bohrkopf in Schwingung versetzt. Gleichzeitig kann das Bohrwerkzeug rotiert werden (ROTOSONIC). Der Vorteil besteht darin, dass durch die erzeugte Schwingung die Mantelreibung am Bohrgestänge auf ein Minimum reduziert wird. Das Gestein wird bei diesem Verfahren sowohl zerspant als auch zertrümmert.

Bohrwerkzeuge

Bei geologischen Bohrungen verwendete Werkzeuge sind z. B.:

  • RollenmeißelBohrkronen, zur Härtung teils mit Industriediamanten besetzt um zu raschen Verschleiß und Überhitzung der Bohrkrone zu vermeiden, wird im Bohrloch während des Bohrvorgangs meist eine Spülflüssigkeit umgepumpt, deren Druck auch der Stabilisierung des Bohrloches dient.

Zu den beim Tiefbohren verwendeten Anlagen siehe auch unter Bohranlagen. Dort ist auch ein Technologiebaum zu den wesentlichsten Bestandteilen einer Bohranlage zu finden.

'Vertikalbohrungen' sind die „normale“ Form der Bohrung - mehr oder weniger senkrecht nach unten. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen 'Horizontalbohrungen' nötig sind, z. B. beim Tunnelbau. Moderne Techniken erlauben Tiefbohrungen in weiträumigen Ablenkungen aus der Vertikalen in Richtung Horizontale. Man spricht dann von Richtbohren oder Richtbohrtechnik. Mit ihr lassen sich Bohrziele (targets), wie wasserführende Störungen direkt anfahren. Ein Fachbegriff ist hier 'geosteering'.

Wissenschaftliche Bohrungen benötigen unzerstörtes Gesteinsmaterial, von dem auch die Herkunftstiefe bekannt sein muss. Zu diesem Zweck wurden Techniken entwickelt (das so genannte Kernbohren), die die Förderung von Bohrkernen aus dem Bohrloch erlauben. Die mit ihrer Hilfe gewonnenen Bohrprofile geben die geologischen Verhältnisse des Untergrundes metergenau wieder. Auch das in der Spülung herausgeförderte Bohrklein erlaubt eine Abschätzung der Herkunftstiefe der entnommenen Probe (berechnet aus Aufstiegsgeschwindigkeit und der dazu benötigten Zeit).

Anwendung in der Geothermie

In der Tiefengeothermie werden also vorwiegend die folgendenden Bohrtechniken genutzt:

  • Rotarybohrverfahren
  • Standard-Kernbohrverfahren
  • Seilkernbohrverfahren
  • Lufthebebohrverfahren 

Neue Bohrverfahren

Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Kosteneffizienz beim Abteufen von tiefen Geothermie-Bohrungen ist die Verbesserung der Gesteinszerstörung und damit die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit. Durch den Einsatz neuer Bohrwerkzeuge lassen sich die teuren Mietkosten für die schweren Tiefbohranlagen reduzieren, da die reinen Bohrzeiten reduziert werden können.

Da konventionelle Bohrwerkzeuge für die Öl- und Gaserkundung im Sedimentgestein entwickelt und optimiert wurden, können diese in harten schwer bohrbaren Formationen für die Tiefe Geothermie nur sehr uneffektiv eingesetzt werden (geringe Bohrgeschwindigkeiten, hoher Verschleiß). Die Folge sind hohe Bohrkosten und ein erhöhtes wirtschaftliches Risiko. Eine Weiter- bzw. Neuentwicklung von anderen Bohrverfahren ist bei petrothermaler Geothermie zu erwarten. Sie nutzt das heiße, harte Gestein im Untergrund, das über Bohrungen und verschiedene Stimulationsverfahren erschlossen wird.

Elektro-Impuls-Verfahren

Mit der Entwicklung und Erprobung des Elektro-Impuls-Verfahrens (EIV) kann eine völlig neuartige Form der Gesteinszerstörung für tiefe Geothermiebohrungen nutzbar gemacht werden. Das Prinzip beruht auf elektrischen Entladungen unter sehr hohen Spannungen, welche zwischen zwei Elektroden durch das Gestein geleitet werden und dabei dessen Gefüge durch hohe Temperaturen und Drücke schwächen. Das Verfahren befindet sich noch im Forschungsstadium.

Flame-Jet-Drilling

Hier befindet sich der Bohrer nicht im direkten Kontakt mit dem Untergrund. Verschleiß am Bohrmeißel ist also nahezu ausgeschlossen. Beim Flame-Jet-Drilling befinden sich am Bohrkopf Öffnungen, über die eine sehr heiße Flamme ins Bohrloch gebracht wird, die das Gestein spaltet und wegsprengen lässt. Flame-Jet-Drilling befindet sich ebenfalls noch im Forschungsstadium. 

Einige (meist englische) Fachbegriffe und Abkürzungen

Casing

zutage geführte Verrohrung

Liner

nicht zutage geführte Verrohrung (wird in der vorherigen Rohrtour mittels eines Liner-Hangers mechanisch verkeilt abgehängt)

BOP

Blow-Out Preventer (hydr. Schleusensystem zur Beherrschung von Bohrlochzuflüssen und –drücken während des Bohrfortganges)

Tool Joint

verdickter Gewindeverbinderteil des Bohrgestänges

API

American Petroleum Institute

FGT

Formations-Gradienten-Test

FIT

Formation-Integrity Test

LOT

Leak-Off-Test

TVD

True Vertical Depth (wahre Teufe = Vertikalteufe)

MD

Measured Depth (Bohrteufe = Bohrungslänge)

DHM

Untertage-Spülungsmotorantrieb (Down Hole Motor)

RSS

Mit Stran rotierender Bohrsteuerkopf (Rotary Steerable System)

MWD

Measurement-While-Drilling

DLS

Dogleg-Severity (Bohrlochkrümmung durch Neigungs-/Richtungsänderung)

PDC

Diamantmeissel (Polycrystalline Diamond Compact)

PCD

Poly-Crystalline Diamond

OD

Outer Diameter (Außendurchmesser)

ID

Inside Diameter (Innendurchmesser)

LK

Linerkopf

ZK

Zementkopf

SG

Spezifisches Gewicht (kg/l)

WOB

Meißelbelastung (Weight-on-Bit)

RPM

Umdrehungszahl (Revolutions-per-Minute)

TQ

Drehmoment (Torque)

ROP

Bohrfortschritt, Bohrgeschwindigkeit (Rate of Penetration)

Roundtrip

Ausbau und Wiedereinbau des Bohrstrangs (z.B. zum Meißelwechsel)

Literatur

Anders, Erik, Mathias Voigt, Franziska Lehmann: E-volution der Bohrtechnik - mit Hochspannung durchs Hartgestein. In: GTE Nummer 88 (2018), S. 24 

Buja, H., O.: Grundlagen -Gerätetechnik -Anwendungen, Handbuch der Bohrtechnik. Bd. 1. Aufl. Norderstedt Books on Demands, 2012 

Bundesamt für Energie & Foralith: Innvoative Bohrtechniken. Ein Weg zur Förderung der Wirtschaftlichkeit geothermischer Bohrungen. Bern : 1998 

Hatzsch, P.: Tiefbohrtechnik. Stuttgart : Enke, 1991 

Marx, C.: Entwicklungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Bohrtechnik (1951-2001). In: Berg- und hüttenmaännischer Tag (2001) 

Teodoriu, C.: Bohrmethoden für Tiefenbohrtechnik: vom konventionellen Rotary- zum Laser-Bohrverfahren. In: GTE Nummer 80 (2014), S. 14-18 

Ukelis, D., Zorn, R., Friderich, J., Steger, H., Linder, P., Meier, S., Burkhardt, F: Verlaufsmessungen und Richtbohrtechnik, Rückbau und Recouvering von Erdwärmesonden. In: GTE Nummer 86 (2017), S. 12 

Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018

Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.

     

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrung (Geologie)

https://www.youtube.com/watch?v=lXZFQRIOn3o

https://www.youtube.com/watch?v=IkrapQDqkdA

https://www.youtube.com/watch?v=rKDN0ew13Mo

zuletzt bearbeitet September 2020