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

Geophysik / Geothermie

A. Flückiger Mat.Nr. 2710155

Bohrtechnik

Prüfer: Prof. Dr. M. Koch07.08.2008

Inhalt1) Besonderheiten von Geothermie-Bohrungen

2) Auswahl der Bohranlage

3) BohrerTypen

4) Bohrungsauslegung

5) Bohrtechnik

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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2

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

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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

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Auswahl der Bohranlage

Fahrbare Bohranlagen

StationäreBohranlagen

Hakenlast 150 – 200 t 200 – 500 t

TeufenkapazitätBohrlochdurchmesser:

8 ½“6“

3.000 m3.500 m

3.000 – 7.000 m 3.500 – 9.000 m

Bohrplatzbedarf 3.000 m² 5.000 m²

Transportladung 35 t 65 t

Tagesrate 12.000 €/d 18.000 €/d

Bohranlagen-Vergleich

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Auswahl der Bohranlage

Antriebs-system

SchallschutzEnergie-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

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Auswahl der Bohranlage

2000PS Bohreinheit

Erreichbare Teufe: 6000mInhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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7

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Auswahl der Bohranlage

< 100PS Bohreinheit

Erreichbare Teufe: ca. 100m

8

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

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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

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Methodenwahl

BohrerTypen

Sand Lehm Gesteinmedium hart

Gesteinhart 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

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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

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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)

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Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

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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

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Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Bohrungsauslegung

Bohrung A Bohrung B Bohrung C

Ø 8.1/2“/ 6“ 12.1/4“/ 8.1/2“ 17.1/2“/ 12.1/4“

Spülungsvolumen 100% 200% 400%

Zementvolumen 100% 250% 500%

Rohrkosten 100% 150% 200%

TageskostenBohranlage

100% 150% 150%

Bohrfortschritt 100% 140% 200%

Bohrlochdurchmesser

Bohrfortschritt: V2= (Ø1²/ Ø2²)• V1

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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BohrDruck (Bsp. RotaryBohrer)

Bohrungsauslegung

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Meißeldrehzahl (Bsp. RotaryBohrer)

Bohrungsauslegung

Inhalt

Besonder-heiten

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BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Düsengeschwindigkeit (Bsp. RotaryBohrer)

Bohrungsauslegung

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

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Spülungseigenschaften

Bohrungsauslegung

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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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

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Bohrtechniken

Senkrechte Bohrungen

Conventional MonoboreInhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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33

Vielen Dank

für Ihre

Aufmerksamkeit

.... noch Fragen???

Inhalt

Besonder-heiten

Auswahl der Bohranlage

BohrerTypen

Bohrungs-auslegung

Bohrtechnik

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Bohrtechniken

Bohrteufe beeinflusst von: Der Seigerteufe (Vertikalteufe) des

Zielhorizontes Der Teufe des Ablenkbeginns

(Kick-off-Punkt = KOP) Der Aufbaurate Dem Endwinkel

Ablenkbohrungen

Bohrtechniken

Multifrac well design

Bohrtechniken

„Qne well- two layer“ well design

Bohrtechniken

Multilateral well design

Bohrtechnik

CTD

Energiegewinnung

Bohrungsauslegung

Bohrfortschrittsvergleich

BohrungsauslegungHydraulische Mindestleistung am Meißel

BohrerTypen

Schneckenbohrer

Entsprechend den Einsatzbedingungen Bohrwerkzeuge für schneidend-schälende, aufreißende und aufbrechende Hereingewinnung

auswechselbare Schneidzähne (verschiedene Form und Richtung)

Bodenarten nach DIN 1054Geschütterter Boden

Geschütteter Boden ist durch Aufschüttung oder Aufspülung entstanden. Man unterscheidet zwischen unverdichteter Schüttung in beliebiger Zusammensetzung und verdichteter Schüttung aus gewachsenem Boden.

Organische BödenOrganische 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 BödenBindiger 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 BödenNichtbindiger 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 FelsFestgestein, 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.

Bohrschichten

2D-Modell3D-Modell

Vertikalschnitt

Explosionszeichnung

Verfestigen1 2

3 4