Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Sind Geothermiebohrungen nicht fündig, bedeutet dies, dass das Wasser im Untergrund nicht die während der Projektplanung prognostizierte Temperatur hat bzw. nicht in ausreichender Schüttung zu Tage gefördert werden kann. Die Folgen sind meist der Projektabbruch und hohe finanzielle Verluste für den Investor. Beim Bohren nach Öl und Gas bringt schon jetzt nur eine von sieben Erkundungsbohrungen das gewünschte Ergebnis. Da die noch vorhandenen Öl- und Gasvorkommen immer schwieriger zu erschließen sind, steigen mit dem Risiko von Fehlbohrungen die Kosten und damit folgerichtig auch die Brennstoffpreise. Ein Grund für die aufgezeigte Problematik ist, dass die bisher in Bohrgarnituren eingesetzten Messgeräte zwar das Umfeld um die Bohrung, nicht aber den Bereich vor dem Bohrmeißel erkunden können. Seit Ende 2007 arbeitet eine Forschergruppe an einem neuen Messgerät, das in der Lage sein soll, seismische Energie gezielt in Bohrrichtung zu verstärken. Für die Manipulation der Abstrahlrichtung wird das bisher noch nicht in der Seismik genutzte Phased Array Prinzip angewandt. Die bisherigen Versuche im Labormaßstab waren erfolgversprechend. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie ein seismisches Messgerät in eine Bohrgarnitur integriert und im Feld eingesetzt werden könnte. Behandelt werden drei wesentliche Fragestellungen: (1) In welchem Bereich vor dem Bohrmeißel soll die seismische Energie verstärkt werden? Eine Richtbohrgarnitur kann zwar durch den Untergrund gelenkt werden, ihr Aktionsradius hängt jedoch von verschiedenen Randbedingungen ab. (2) An welcher Stelle in der Bohrgarnitur soll das Messgerät platziert werden? Ganz vorne befindet sich der Bohrmeißel, dahinter typischerweise die Steuer- und Messgeräte zur Richtungssteuerung der Garnitur, denn der Bohrpfad lässt sich umso genauer steuern, je geringer die Distanz zwischen diesen Geräten und dem Bohrmeißel ist. (3) Wann und wie soll gemessen werden? Jede zusätzlich für Messungen benötigte Zeitspanne ist ein Kostenfaktor, der die Bohrung verteuert. Die Versorgung des Messgeräts mit Energie und die Ansteuerung hängen darüberhinaus von der technischen Ausstattung der Bohrgarnitur und dem Zeitpunkt der Messung im Bohrprozess ab. Angesichts der Fragestellungen wird eine Analyse der bestehenden und neuen Systeme der Tiefbohrtechnik und der Seismik vorgenommen und auf dieser Grundlage ein ganzheitliches Modell entwickelt. Anhand dieses zentralen Modells werden mehrere Konzepte für Richtbohrgarnituren mit integriertem seismischem Messgerät erarbeitet sowie bewertet und die Wechselwirkungen zwischen Mess- und Bohrprozess untersucht. Ein Ergebnis der Arbeit ist die Definition des Begriffs „Vorauserkundung“. Um eine Vorauserkundung durchführen zu können, ist es wichtiger, das Messgerät in eine Richtbohrgarnitur zu integrieren, die hohe Bohrlochkrümmungen ermöglicht, als es so nahe wie möglich hinter dem Bohrmeißel zu platzieren. Mit den im Modell erarbeiteten Bewertungskriterien kann die Weiterentwicklung sowie die praktische Anwendung des seismischen Messgeräts begleitet und beurteilt werden.

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Sind Geothermiebohrungen nicht fündig, bedeutet dies, dass das Wasser im Untergrund nicht die während der Projektplanung prognostizierte Temperatur hat bzw. nicht in ausreichender Schüttung zu Tage gefördert werden kann. Die Folgen sind meist der Projektabbruch und hohe finanzielle Verluste für den Investor. Beim Bohren nach Öl und Gas bringt schon jetzt nur eine von sieben Erkundungsbohrungen das gewünschte Ergebnis. Da die noch vorhandenen Öl- und Gasvorkommen immer schwieriger zu erschließen sind, steigen mit dem Risiko von Fehlbohrungen die Kosten und damit folgerichtig auch die Brennstoffpreise. Ein Grund für die aufgezeigte Problematik ist, dass die bisher in Bohrgarnituren eingesetzten Messgeräte zwar das Umfeld um die Bohrung, nicht aber den Bereich vor dem Bohrmeißel erkunden können. Seit Ende 2007 arbeitet eine Forschergruppe an einem neuen Messgerät, das in der Lage sein soll, seismische Energie gezielt in Bohrrichtung zu verstärken. Für die Manipulation der Abstrahlrichtung wird das bisher noch nicht in der Seismik genutzte Phased Array Prinzip angewandt. Die bisherigen Versuche im Labormaßstab waren erfolgversprechend. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie ein seismisches Messgerät in eine Bohrgarnitur integriert und im Feld eingesetzt werden könnte. Behandelt werden drei wesentliche Fragestellungen: (1) In welchem Bereich vor dem Bohrmeißel soll die seismische Energie verstärkt werden? Eine Richtbohrgarnitur kann zwar durch den Untergrund gelenkt werden, ihr Aktionsradius hängt jedoch von verschiedenen Randbedingungen ab. (2) An welcher Stelle in der Bohrgarnitur soll das Messgerät platziert werden? Ganz vorne befindet sich der Bohrmeißel, dahinter typischerweise die Steuer- und Messgeräte zur Richtungssteuerung der Garnitur, denn der Bohrpfad lässt sich umso genauer steuern, je geringer die Distanz zwischen diesen Geräten und dem Bohrmeißel ist. (3) Wann und wie soll gemessen werden? Jede zusätzlich für Messungen benötigte Zeitspanne ist ein Kostenfaktor, der die Bohrung verteuert. Die Versorgung des Messgeräts mit Energie und die Ansteuerung hängen darüberhinaus von der technischen Ausstattung der Bohrgarnitur und dem Zeitpunkt der Messung im Bohrprozess ab. Angesichts der Fragestellungen wird eine Analyse der bestehenden und neuen Systeme der Tiefbohrtechnik und der Seismik vorgenommen und auf dieser Grundlage ein ganzheitliches Modell entwickelt. Anhand dieses zentralen Modells werden mehrere Konzepte für Richtbohrgarnituren mit integriertem seismischem Messgerät erarbeitet sowie bewertet und die Wechselwirkungen zwischen Mess- und Bohrprozess untersucht. Ein Ergebnis der Arbeit ist die Definition des Begriffs „Vorauserkundung“. Um eine Vorauserkundung durchführen zu können, ist es wichtiger, das Messgerät in eine Richtbohrgarnitur zu integrieren, die hohe Bohrlochkrümmungen ermöglicht, als es so nahe wie möglich hinter dem Bohrmeißel zu platzieren. Mit den im Modell erarbeiteten Bewertungskriterien kann die Weiterentwicklung sowie die praktische Anwendung des seismischen Messgeräts begleitet und beurteilt werden.