Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

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.

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.

Um die Betriebssicherheit von Förder- und Speicherbohrungen auch nach langjährigem Einsatz zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Untersuchung und Einschätzung von Schadensstellen angezeigt. Insbesondere sind dabei die Beanspruchungen der ausgewählten Rohrabschnitte für den weiteren Betrieb zu untersuchen und die Sicherheitsreserven sind nachzuweisen. Für eine spezielle Bewertung von detektierten Korrosionsstellen in der Untertagekomplettierung besonders in Futterrohren, müssen numerische Berechnungen angewandt werden. Es wurde eine Berechnungsprozedur auf Basis der Finite Element Methode entwickelt. Damit wurden umfangreiche Rechnungen für Ölfeldrohre mit Korrosionsmulden durchgeführt. Die erfolgreiche Anwendung des FEM-PS für die Festigkeits- und Stabilitätsberechnungen von ungeschwächten Ölfeldrohren und die Ergebnisse der Nachrechnung der verschwächten Rohre erlaubten die Schlussfolgerung, dass auch Rohre mit Korrosionsmulden richtig modelliert, nachgerechnet und bewertet werden können.

Gashydratlagerstätten sind in Permafrostgebieten und unter dem Meeresboden zu finden. Das energetische Potential der weltweiten Gashydratvorkommen, vor allem im submarinen Bereich, ist enorm. Derzeit existiert aber noch keine Technologie mit der sie kommerziell erschlossen werden können. Die größten Herausforderungen bei der bohrtechnischen Erschließung submariner Gashydratlagerstätten werden in der Richtbohrtechnik in geringverfestigten Sedimenten, der Bohrlochstabilität, der Einhaltung eines sehr engen Druckfensters sowie in der Vermeidung ungewollter Dissoziationsvorgänge während des Bohrprozesses gesehen. In der Arbeit werden mögliche Ansätze für die bohrtechnische Erschließung von submarinen Gashydratlagerstätten, speziell für das gerichtete Bohren in unkonsolidierten Formationen, zusammengetragen. Es werden verschiedene Erschließungskonzepte diskutiert und schließlich wird die Machbarkeit von zwei Bohrkonzepten untersucht. Das erste Konzept zielt in erster Linie auf die Herstellung vertikaler Bohrungen zu Produktionstestzwecken in Gashydratlagerstätten ab. Auf Grundlage eines vorhandenen Meeresbodenbohrgerätes wird eine neuartige Technologie entwickelt, mit der eine Tiefsee-Gashydratbohrung abgeteuft, verrohrt und komplettiert werden kann, ohne dass eine Bohrplattform oder ein Bohrschiff eingesetzt werden muss. Das zweite Konzept beinhaltet die Herstellung von horizontalen Produktionsbohrungen für eine kommerzielle Gashydratnutzung. Es wird untersucht, ob und unter welchen Bedingungen solche Bohrungen mit konventionellem Equipment machbar sind. Es wird aufgezeigt, dass die Herausforderungen gemeistert werden können und die bohrtechnische Erschließung submariner Gashydratlagestätten mit beiden Konzepten grundsätzlich machbar erscheint.

Um die Betriebssicherheit von Förder- und Speicherbohrungen auch nach langjährigem Einsatz zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Untersuchung und Einschätzung von Schadensstellen angezeigt. Insbesondere sind dabei die Beanspruchungen der ausgewählten Rohrabschnitte für den weiteren Betrieb zu untersuchen und die Sicherheitsreserven sind nachzuweisen. Für eine spezielle Bewertung von detektierten Korrosionsstellen in der Untertagekomplettierung besonders in Futterrohren, müssen numerische Berechnungen angewandt werden. Es wurde eine Berechnungsprozedur auf Basis der Finite Element Methode entwickelt. Damit wurden umfangreiche Rechnungen für Ölfeldrohre mit Korrosionsmulden durchgeführt. Die erfolgreiche Anwendung des FEM-PS für die Festigkeits- und Stabilitätsberechnungen von ungeschwächten Ölfeldrohren und die Ergebnisse der Nachrechnung der verschwächten Rohre erlaubten die Schlussfolgerung, dass auch Rohre mit Korrosionsmulden richtig modelliert, nachgerechnet und bewertet werden können.

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.

Gashydratlagerstätten sind in Permafrostgebieten und unter dem Meeresboden zu finden. Das energetische Potential der weltweiten Gashydratvorkommen, vor allem im submarinen Bereich, ist enorm. Derzeit existiert aber noch keine Technologie mit der sie kommerziell erschlossen werden können. Die größten Herausforderungen bei der bohrtechnischen Erschließung submariner Gashydratlagerstätten werden in der Richtbohrtechnik in geringverfestigten Sedimenten, der Bohrlochstabilität, der Einhaltung eines sehr engen Druckfensters sowie in der Vermeidung ungewollter Dissoziationsvorgänge während des Bohrprozesses gesehen. In der Arbeit werden mögliche Ansätze für die bohrtechnische Erschließung von submarinen Gashydratlagerstätten, speziell für das gerichtete Bohren in unkonsolidierten Formationen, zusammengetragen. Es werden verschiedene Erschließungskonzepte diskutiert und schließlich wird die Machbarkeit von zwei Bohrkonzepten untersucht. Das erste Konzept zielt in erster Linie auf die Herstellung vertikaler Bohrungen zu Produktionstestzwecken in Gashydratlagerstätten ab. Auf Grundlage eines vorhandenen Meeresbodenbohrgerätes wird eine neuartige Technologie entwickelt, mit der eine Tiefsee-Gashydratbohrung abgeteuft, verrohrt und komplettiert werden kann, ohne dass eine Bohrplattform oder ein Bohrschiff eingesetzt werden muss. Das zweite Konzept beinhaltet die Herstellung von horizontalen Produktionsbohrungen für eine kommerzielle Gashydratnutzung. Es wird untersucht, ob und unter welchen Bedingungen solche Bohrungen mit konventionellem Equipment machbar sind. Es wird aufgezeigt, dass die Herausforderungen gemeistert werden können und die bohrtechnische Erschließung submariner Gashydratlagestätten mit beiden Konzepten grundsätzlich machbar erscheint.

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.

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132