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