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Geophysik / Geothermie A. Flückiger Mat.Nr. 2710155 Bohrtechnik Prüfer: Prof. Dr. M. Koch 07.08.2008.

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1 Geophysik / Geothermie A. Flückiger Mat.Nr. 2710155 Bohrtechnik Prüfer: Prof. Dr. M. Koch 07.08.2008

2 Inhalt 1) Besonderheiten von Geothermie-Bohrungen 2) Auswahl der Bohranlage 3) BohrerTypen 4) Bohrungsauslegung 5) Bohrtechnik Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 2

3 Bohrungen überwiegend in Siedlungsnähe Schallemissionen Platzbedarf der Bohranlage Einhaltung von Sicherheitsabständen Zufahrt für Schwerlast-Fzg. / Kräne / Feuerwehr Unterirdische Versorgungsleitungen Wasserschutz Besonderheiten von Geothermie- Bohrungen Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 3

4 Auswahl der Bohranlage Bohrlochdurchmesser Bohrungsverlauf Bohrstrang-Dimensionierung Erwartete Drehmomente und Zuglasten bei Richtbohrungen Maximale Pumpendrücke und Strömungsraten gemäß Hydraulikprogramm Spülungsdichte und Meißelhydraulik Zirkulationsraten Hakenlast Gestängeabstellasten Erforderliche Gesamtleistung Tankkapazität Planungsdaten Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 4

5 Auswahl der Bohranlage Fahrbare Bohranlagen Stationäre Bohranlagen Hakenlast150 – 200 t200 – 500 t Teufenkapazität Bohrlochdurchmesser: 8 ½ 6 3.000 m 3.500 m 3.000 – 7.000 m 3.500 – 9.000 m Bohrplatzbedarf3.000 m²5.000 m² Transportladung35 t65 t Tagesrate12.000 /d18.000 /d Bohranlagen-Vergleich Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 5

6 Auswahl der Bohranlage Antriebs- system Schallschutz Energie- verbrauch Flexibilität in der Aufstellung 1. Diesel- mechanisch -- 2. Diesel- hydraulich --+ 3.Diesel- elektrisch ++++++ 4.Voll- elektrisch +++ Antriebe Hauptverbraucher: Hebewerk Spülpumpen Drehtisch bzw. Topdrive Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 6

7 Auswahl der Bohranlage 2000PS Bohreinheit Erreichbare Teufe: 6000m Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 7

8 Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... Auswahl der Bohranlage < 100PS Bohreinheit Erreichbare Teufe: ca. 100m 8

9 Trockenbohrverfahren Schneckenbohren (Pennsylvanisches) Seilbohren Vibrationsbohren Rammen (Schlagbohren) Bohrverfahren mit zirkulierender Spülung Imlochbohrer Rotarybohren Lufthebebohren Saugbohren Überlagerungsbohren Kern- und Probengewinnungsverfahren Hohlkernbohrer Überblick BohrerTypen Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 9

10 Trockenbohrverfahren Schneckenbohren (Pennsylvanisches) Seilbohren Vibrationsbohren Rammen (Schlagbohren) Bohrverfahren mit zirkulierender Spülung Imlochbohrer Rotarybohren Lufthebebohren Saugbohren Überlagerungsbohren Kern- und Probengewinnungsverfahren Hohlkernbohrer Überblick BohrerTypen Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 10

11 Methodenwahl BohrerTypen SandLehmGestein medium hart Gestein hart bis sehr hart Schneckenbohrer Hohlkernbohrer Rotarybohrer Imlochhammer Schlagbohrer 15 - 30m (d= <900mm) ca. 300m (d= 150mm) > 250m (d= <216mm) 300- 400m (d= <300mm) *4500m <70m (d= <115mm) 20m (d= <90mm) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 11

12 Zerspant ähnlich wie eine Lochsäge Erhalten von Bohrkernen Geringer Bohraufwand im Vergleich zur Vollbohrung Kopf bildet eine Diamantbohrkrohne Muss auf das zu bearbeitende Material abgestimmt sein Durchmesser 8- 1.500mm serienmäßig Einsatzbebiet: Wissenschaftliche Auswertung des Gesteins Hohlkernbohrer BohrerTypen Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 12

13 BohrerTypen Spülbohrverfahren Für mittel- bis hartes Gestein Zerkleinerung des Bohrguts (BG) durch Rollen- und Kronenmeißel (Warzenmeißel) Rollmeißel: drei gegeneinander angeordete, gezahnte Kegelrollen Kronenmeißel: Besatz mit Diamanten, Schneidekeramik oder Hartmetall, keine bewegliche Teile Zerkleinerte Gestein wird über eine durch das Bohrgestänge zugeführte und am Meißel austretende Spülflüssigkeit kontinuierlich entfernt und gelangt im Ringraum zwischen Bohrloch und Bohrgestänge an die Erdoberfläche. Flüßigkeitsgeschwindigkeit mit 100 m/s aus Düsen im Bohrmeißel tragen zum Gesteinsabtrag bei Bohrstangenelementlänge 9m, Wechseldauer ca. 4min. Rotarybohrer (drehend) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 13

14 BohrerTypen Größen: 30 bis 90 mm Durchmesser: mittelharte bis harte Formation -> Kontinuierliche (Bergbau, Sprenglochbohrungen) 45 bis 900 mm Durchmesser (Sondergrößen bis ca. 2000 mm) : weiche, bindige oder lockere, kohäsionslose Gesteine -> Diskontinuierlich Vorteile: kontinuierlicher Austrag des Bohrkleins ohne Umlaufspülung Kombination der Einfachheit des Trockenbohrens mit der Effizienz des Spülbohrens Keine Kontamination des Erdreichs mit Spülung keine Kosten für die Spülung (keine Spülbecken, Pumpen etc. erforderlich) Nachteile: Reichweite ca. 20m (max. 100 m, Reibung) ungünstig für inhomogenes, mit Hindernissen durchsetztes Boden im Lockergebirge unterhalb des Grundwasserspiegels ungünstig Schneckenbohrer (drehend) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 14

15 BohrerTypen Diskontinuierliches Schneckenbohren bei großen Bohrlochdurchmessern (meist 300 bis 600 mm) und kleinen Bohrtiefen (z.B. Setzen eines Standrohres für eine Tiefbohrung) Bohrwerkzeug: mehrflügelige Schneiden. Darüber 0,5 bis 2 m Schnecke, darüber Gestängerohre. Feststoffaustrag: Ausbauen und entleeren nur oberhalb des Grundwasserspiegels und in bindigen Böden möglich Schneckenbohrer (drehend) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 15

16 BohrerTypen 1. Aufhängung 2. Hydraulikmotor 3. Getriebe 4. Öl-drehdurchführung für Hydraulikzylinder 5. Hydraulikzylinder 6. Teleskopbohrstange 7. Bohrschnecke Schneckenbohrer (drehend) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 16

17 BohrerTypen Imlochhammer wird auch Tauchhammer, Unterflurhammer, Versenkhammer genannt Hydraulischer Bohrhammer mit direkter Wirkung Schließen erzeugt hydraulischen Stoß (Wasserhammer) Schlagbolzen / Amboss Hydraulischer Impuls wird in Bewegungsenergie / Schlag umgesetzt Imlochhammer (drehschlagend) 1 Ventil, 2 Schlagbolzen, 3 Feder, 4 Amboß, 5 Spülungsöffung, 6 Feder, 7 Kolben Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 17

18 BohrerTypen Funktion: Off bottom: freier Durchgang der Spülung, keine Hammerwirkung On bottom: 1. Amboss und Schlagbolzen bewegen sich nach oben gegen Ventil Strömungsweg verschlossen, Schlagbolzen und Amboss noch nicht in Kontakt 2. Hydraulischer Hammer drückt Ventil / Schlagbolzen schlagartig nach unten 3. Ventilhub ist kurz, daher öffnet es wieder und bewegt sich in die Ausgangslage zurück 4. Schlagbolzen bewegt sich aufgrund seiner Trägheit weiter, komprimiert Feder und schlägt auf Amboss auf 5. Feder entspannt sich wieder und drückt Schlagbolzen zurück an das Ventil 6. nächster Zyklus beginnt Imlochhammer (drehschlagend) 1 Ventil, 2 Schlagbolzen, 3 Feder, 4 Amboß, 5 Spülungsöffung, 6 Feder, 7 Kolben Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 18

19 BohrerTypen Vorteile: einfache Konstruktion und Wirkungsweise stabiles Arbeiten, auch bei leichten Schwankungen des Spülungsregimes Kleine Durchmesser konstruktiv kein Problem Nachteile: Verlust an Schlagenergie durch Kompression der Feder vor dem Schlag dadurch relativ geringer Wirkungsgrad Imlochhammer (drehschlagend) Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 19

20 BohrerTypen Schlagwerkzeug auf dem Bohrer montiert Schläge werden durch das Bohrgestänge übertragen Vorteil Sehr schnell im harten Gestein Geringe Betriebskosten Nachteil Max. 70m Durchmesser < 115mm Starker Lärm- und Vibrationsentwicklung Schlagbohrer Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 20

21 Bohrungsauslegung Bohrung ABohrung BBohrung C Ø8.1/2/ 612.1/4/ 8.1/217.1/2/ 12.1/4 Spülungsvolumen100%200%400% Zementvolumen100%250%500% Rohrkosten100%150%200% Tageskosten Bohranlage 100%150% Bohrfortschritt100%140%200% Bohrlochdurchmesser Bohrfortschritt: V 2 = (Ø 1 ²/ Ø 2 ²) V 1 Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 21

22 BohrDruck (Bsp. RotaryBohrer) Bohrungsauslegung Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 22

23 Meißeldrehzahl (Bsp. RotaryBohrer) Bohrungsauslegung Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 23

24 Düsengeschwindigkeit (Bsp. RotaryBohrer) Bohrungsauslegung Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 24

25 Spülungseigenschaften Bohrungsauslegung Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 25

26 Bohrungsauslegung Quintessenz Maximaler Bohrfortschritt wird durch Optimierung der Betriebsparameter erzielt Bohrandruck Drehzahl (Leistung) Spülrate/ Bohrlochhydraulik Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 26

27 Bohrtechniken Senkrechte Bohrungen Conventional Monobore Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 27

28 Bohrtechniken Vertikalbohrungen mit 2km Abstand Zwei Bohrplätze Lange Verbindungsleitung übertage Kurze Gesamtbohrstrecke Keine Richtbohrkosten Zwei Vertikalbohrungen 2km Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 28

29 Bohrtechniken Vertikal- und Ablenkbohrung mit 2km Ablenkung Ein Bohrplatz kurze Verbindungsleitung übertage lange Gesamtbohrstrecke 1 x Richtbohrkosten Vertikal- und Ablenkbohrung 2km Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 29

30 Bohrtechniken Ablenkbohrungen mit jeweils 1km Ablenkung Ein Bohrplatz kurze Verbindungsleitung übertage mittlere Gesamtbohrstrecke 2 x moderate Richtbohrkosten Zwei Ablenkbohrungen 2km Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 30

31 Bohrtechniken Innovation gegenüber konventioneller Bohrtechnik: Nur ein Bohrloch, zwei oder mehrere Bohrungen Pumpen, Steuerung, Generator usw. an einer Stelle Können bei einer Teufe von 2600m, 2000m auseinander liegen Genaue Positionierung in den gewünschten Zonen Vergrößerung der aktiv genutzten Schicht Reduzierte Kosten Flexible Aufstellung der Fördereinrichtung Ablenkbohrungen Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 31

32 Bohrtechniken Fest wird man wegen: Permeabler Formationen Dicker Filterkuchen Hohe Reibungsfaktor Hoher Spülungsdichte (hoher Differenzdruck) Anzeigen für ein anstehendes Festwerden: Drehmoment/Schleiflast Geringer Austrag von Bohrgut Festwerden Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 32

33 Bohrtechniken Vermeiden von Festwerden: Bohrstrang in Bewegung halten nur beim Nachsetzen darf der Strang stehen bleiben (24h- Betrieb) Geeignetes Spülungsgewicht Einsatz von Brückenmitteln Kontrolle über das Filtrat …auch bei hohen Temperaturen! Schmiermittel Verpumpen von Sweeps zur Säuberung des Bohrloches Festwerden Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.... noch Fragen??? Inhalt Besonder- heiten Auswahl der Bohranlage BohrerTypen Bohrungs- auslegung Bohrtechnik.... 34

35 Bohrtechniken Bohrteufe beeinflusst von: Der Seigerteufe (Vertikalteufe) des Zielhorizontes Der Teufe des Ablenkbeginns (Kick-off-Punkt = KOP) Der Aufbaurate Dem Endwinkel Ablenkbohrungen

36 Bohrtechniken Multifrac well design

37 Bohrtechniken Qne well- two layer well design

38 Bohrtechniken Multilateral well design

39 Bohrtechnik CTD

40 Energiegewinnung

41 Bohrungsauslegung Bohrfortschrittsvergleich

42 Bohrungsauslegung Hydraulische Mindestleistung am Meißel

43 BohrerTypen Schneckenbohrer Entsprechend den Einsatzbedingungen Bohrwerkzeuge für schneidend- schälende, aufreißende und aufbrechende Hereingewinnung auswechselbare Schneidzähne (verschiedene Form und Richtung)

44 Bodenarten nach DIN 1054 Geschütterter Boden Geschütteter Boden ist durch Aufschüttung oder Aufspülung entstanden. Man unterscheidet zwischen unverdichteter Schüttung in beliebiger Zusammensetzung und verdichteter Schüttung aus gewachsenem Boden. Organische Böden Organische Böden sind Humus, Torf und Faulschlamm. Torf entsteht durch die Zersetzung von Pflanzen und Tieren, Humus nennt man die organischen Stoffe im und auf dem Boden, die von abgestorbenen Pflanzen und Tieren herrühren. Organische Böden haben eine Faserstruktur. Bindige Böden Bindiger Boden hat plättchenartigen Aufbau. Durch die Beschaffenheit der Plättchen kann bindiger Boden Wasser aufnehmen und halten. Dabei weicht die Oberfläche der Plättchen auf, wodurch sich die Reibung zwischen den Plättchen verringert. Zu bindigen Böden zählen Schluffe, Tone und Gemische daraus wie Lehm oder Mergel. Sie können auch einen nichtbindigen Anteil von bis zu 15% enthalten. Eine Kornstruktur ist mit dem bloßen Auge nicht mehr zu erkennen Nichtbindige Böden / Rollige Böden Nichtbindiger bzw. rollige Böden bestehen aus Körnern unterschiedlicher Größe, die sich gegenseitig berühren. Der Boden hält kein Wasser und die Reibung zwischen den Körnern wird beim Vorhandensein von Wasser kaum beeinflusst. Diese Böden können nicht aufweichen. Nichtbindige Böden bestehen aus Geröll, Schotter, Kies und Sanden sowie Gemischen daraus, auch mit einem bindigen Anteil von bis zu 15%. Das Korn ist mit bloßem Auge leicht erkennbar. Gewachsener Fels Festgestein, das dicht und fest gelagert oder locker und zerklüftet ist. Alle Gesteinsarten wie Kalkstein, Sandstein, Granit, Basalt oder Porphyr werden als Fels bezeichnet. Aufgrund der Dichte und Härte nur schwer zu bearbeiten.

45 Bohrschichten 2D-Modell3D-Modell VertikalschnittExplosionszeichnung

46 Verfestigen 12 34


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