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Der Lehrstuhl

Bohrungen gehören in unserer modernen Welt überall zum Alltag. Sie werden nicht nur zur sicheren Gründung von Gebäuden, Untertunnelung von Gebirgen, Erkundung oder der Überwachung des Untergrundes benötigt, sondern auch beispielsweise zur Energieversorgung, bohrtechnischen Gewinnung zur Energiewende benötigter seltener Metalle (z. B. Lithium) und zur Trinkwasserbereitstellung. 

Bei der Herstellung solcher Bohrungen, insbesondere kilometerlanger Tiefbohrung, steht neben der Aufgabe, das vorgegebene Ziel präzise zu treffen immer die Sicherheit der Bohrmannschaft und der Umwelt (Bohrungsintegrität) im Vordergrund. Die Bohrung muss zu jeder Zeit unter Kontrolle gehalten werden können, damit keine Eruptionen und keine Verschmutzungen auftreten.

In der Lehre wird das gesamte Fachgebiet der Flach- und Tiefbohrungen abgedeckt.

Die aktuellen Forschungen am Lehrstuhl befassen sich in erster Linie damit, das Fündigkeitsrisiko und die Bohrkosten für Geothermiebohrungen im Hartgestein zu reduzieren. In diesem Zusammenhang werden innovative Verfahren zum effektiveren Richtbohren im Hartgestein entwickelt und erprobt und Methoden gesucht, mit denen wasserführende Schichten und Klüfte in mehreren Kilometern Tiefe aufgefunden und angesteuert werden können.

Team

Lehrstuhlinhaber

  • Prof. Dr. Matthias Reich

Mitarbeiter

  • Dr. Silke Röntzsch
  • Dipl.-Ing. Susann Klein
  • Dipl.-Ing. Dulamjav Unursaikhan
  • M. Sc. Saeed Zarbakhsh Zadeh

 

Projekte

Forschungs- und Beratungsleistungen für Betriebe und Forschungseinrichtungen

  • Alternative Methoden der Hartgesteinszerstörung
  • Petrothermale Tiefengeothermie
    • Reduzierung des Fündigkeitsrisikos
    • Richtbohrtechnik im Hartgestein
    • Steigerung der Bohrgeschwindigkeit
  • Oberflächennahe Geothermie
    • Bohrbarkeits-Atlas der Region Freiberg
  • Mineralische Erkundungsbohrungen
  • Datenübertragung in Bohrsträngen
  • Vorausschauende Erkundungsverfahren für Tiefbohrungen
  • Chemisch-physikalische Charakterisierung von Bohrspülungen und Zementschlämmen
  • Bohrtechnische Schulungen
  • Gutachterliche Stellungnahmen zu Bohrprojekten

 

Versuchsanlagen und laborative Messtechniken

Bohrtechnische Versuchsanlagen

Versuchsanlage zur Untersuchung der Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten. Sie besteht im Wesentlichen aus einem ca. 200 l fassenden Suspensionsbehälter mit Rührer zum Inschwebehalten der Feststoffpartikel, einer Kreiselpumpe, einem 4´´-Hydrozyklon sowie Messeinrichtungen. Es können verschiedene Hydrozyklone installiert werden. 

Zur Auswertung der Versuche steht ein Korngrößenanalyse-Gerät (Laser-Streulichtspektrometer Horiba LA-300) zur Verfügung.

Einsatzmöglichkeiten: 

  • Untersuchung des Trennverhaltens bei Verwendung verschiedener Suspensionen 
  • Untersuchung des Trennverhaltens verschiedener Hydrozyklone
  • Branchenübergreifend (z.B. Bohrspülungen, natürliche Sedimente, Prozesswässer, industrielle Abwässer, Lebensmittelindustrie u.v.m.)

Technische Daten: 

  • Hydrozyklon-Durchmesser = 4´´ (auch andere Zyklone möglich)
  • Kreiselpumpe: max. Volumenstrom = 250 l/min, max. Druckerhöhung = 8,5 bar
  • Sensoren: magnetisch-induktiver Durchflussmesser, Drucksensoren (analog oder digital) an verschiedenen Positionen

Ansprechpartner: Dr. Silke Röntzsch, 39-4312, Silke [dot] Roentzsch [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de

WiBOS (Wissenschaftliches Bohren in Sachsen) ist ein für vielfältige Forschungseinsätze speziell ausgestattetes Hydraulikbohrgerät auf Grundlage des GEO 602GT HT vom Hersteller Comacchio. An diesem Universalbohrgerät sind verschiedene Bohrwerkzeuge mit einem Durchmesser von 45 bis 360 mm einsetzbar; z. B. Drehbohrwerkzeuge, Bohrhämmer, Kernbohrwerkzeuge oder Bohrschnecken.

WiBOS ist mit zwei Kraftdrehköpfen ausgestattet, so dass sowohl hohe Drehzahlen als auch hohe Drehmomente möglich sind. Es stehen zwei Systeme für den Einsatz von Fluidspülungen zur Verfügung: Eine Exzenterschneckenpumpe (Bellin NG 800 L/P5, 250 l/min, 20 bar) für Wasser und Bohrspülungssysteme sowie ein Kompressor (CompAir C 200 TS-24, 20 Nm3/min, 24 bar) für die Bereitstellung von Druckluft. 

WiBOS hat ein Kettenfahrwerk und verfügt damit nicht über eine Straßenzulassung. Für die Umsetzung des 11 t schweren Bohrgerätes ist ein Tieflader notwendig.

Einsatzmöglichkeiten: 

  • Abteufen von Forschungsbohrungen aller Art bis in eine Tiefe von ca. 200 m, geothermischen Sonden, Grundwasserbrunnen, Erkundungsbohrungen u.v.m.
  • Entwicklung und Test von Bohrwerkzeugen u.a. Bohrstrangkomponenten
  • Forschungsprojekte zur Analyse/Optimierung des Bohrprozesses

Technische Daten: 

  • Gewicht: ca. 11 t
  • Abmaße: Breite: 1,7 m, Länge: 6,5 m (mit abgelegtem Mast)
  • Vorschublänge: 3 m 
  • Max. Vorschubkraft: 65 kN (6,6 t)
  • Max. Rückzugkraft: 95 kN (9,7 t)
  • Oberer KDK:  11 – 3,6 kNm (50 – 140 rpm)
  • Unterer KDK:  24 kNm (57 rpm)
  • Messwerterfassung: GPS, Teufe, Strangdrehzahl, Bohrgeschwindigkeit, Spülungs- bzw. Luftdruck und -volumenstrom, Drücke im Hydrauliksystem, (Messwelle für Andruck und Drehmoment) 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und den Freistaat Sachsen.


Ansprechpartner: Dr. Silke Röntzsch, 39-4312, Silke [dot] Roentzsch [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de

Versuchsanlage zur Untersuchung der Datenübertragung im Bohrloch, der Ausbreitung von Schall-/Druckwellen in Rohrleitungen zum Zweck der Erhöhung der Datenübertragungsrate in Bohrungen.

Der Spülungskreislauf befindet sich in der Versuchshalle des IBF. Er besteht aus PVC-Rohren und weist eine Gesamtlänge von 90,5 m auf. Beim Großteil der Rohre handelt es sich um DN 57 Rohre. Das als Spülung verwendete Wasser wird in einem Tank gespeichert und von einer im Keller befindlichen Exzenterschneckenpumpe durch den Kreislauf gefördert. Kern der Anlage ist die Pulserstrecke, in der bis zu drei Datenpulser parallel oder in Reihe installiert und betrieben werden können. Geräusche im Bohrloch können mittels eines Aktuatorsystems simuliert werden (Frequenz und Amplitude voreinander unabhängig einstellbar). Die Versuche werden mittels eines Echtzeit-Prozessors vom PC in einer Messkabine aus gesteuert und geloggt.

Einsatzmöglichkeiten: 

  • Untersuchung der hydraulischen und akustischen Datenübertragung
  • Untersuchung unterschiedlicher Datenpulser
  • Multi-Pulser-Anordnung (parallel oder in Reihe)

Technische Daten: 

  • Verfügbare Pulser: Positiv-Pulser, Negativ-Pulser, zwei Mud-Sirenen, Unterwasserlautsprecher
  • Max. Volumenstrom: 40 m³/h, max. möglicher Druck im System: 6 bar
  • Sensoren: Durchflussmessgerät, vier fest installierte Drucksensoren (p1 – p4), weitere Messpunkte vorgesehen (können bei Bedarf mit beliebigen Sensoren bestückt werden)
  • Variable Samplerate, max. 2.000 Hz 

Ansprechpartner: Dr. Silke Röntzsch, 39-4312, Silke [dot] Roentzsch [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de

Dieser Versuchsstand ermöglicht die Messung von Widerstandskräften durch Reibung zwischen einem äußeren Rohr (Casing) und verschiedenen Einbaukomponenten (z. B. Zentralisatoren) in Abhängigkeit der verwendeten Spülung (WBM, OBM) und deren Zusätze. Aus den aufgenommenen Daten der einzelnen Versuche können Reibungskoeffizienten ermittelt und der Einfluss der Spülung einschließlich der zugeführten Zusatzstoffe heraus gearbeitet werden. Des Weiteren ist es möglich Verschleißuntersuchungen an den Einbaukomponenten und Casings durchzuführen. 

Kleinkaliber-BohrversuchsstandAnsprechpartner: Dipl.-Ing. Susann Klein, 39-2366, Susann [dot] Klein [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de

Die von der TU Dresden und dem IBF selbst entwickelte Bohranlage befindet sich in der Nähe von Freiberg in Dorfhain. Sie ist mit einer Winde (max. 10 t Hakenlast), einer Spülungspumpe (max. 1000 l/min), zwei Absetzcontainern zur Spülungsaufbereitung und der entsprechenden Steuertechnik ausgestattet. Die maximale Länge der einzubauenden Komponenten ist 9,5 m. Derzeit kann eine axiale Bewegung über den Flaschenzug realisiert werden. Eine Rotation der Komponenten ist im Moment nicht möglich. Unter der Bohranlage befindet sich ein Bohrloch, das bis zu einer Teufe von 6 m mit einem Standrohr aus Kunststoff (Durchmesser 350 mm) stabilisiert ist. In einer Teufe ab 6 m befindet sich stabiler Gneis. Es können verschiedene Tools an der Anlage/im Bohrloch getestet werden.


Ansprechpartner: Prof. Matthias Reich, 39-2491, Matthias [dot] Reich [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de (Matthias[dot]Reich[at]tbt[dot]tu-freiberg[dot]de)

Versuchsanlage zur Untersuchung der Zerspanung von Metallrohren (auch einzementiert)

Durch den modularen Aufbau können verschiedene Bohrwerkzeuge wie Drehbohrmaschinen und elektrische Bohrhämmer montiert werden. Mit der Drehbohrmaschine werden die Mechanismen der zerspanenden Probenzerstörung und mit dem elektrischen Bohrhammer die Mechanismen der schlagenden Probenzerstörung untersucht. Während der Versuche kann mit Klarwasser oder Luft gespült werden. Der Vorschub der Bohrwerkzeuge ist über eine SPS-Regelung kraft- oder geschwindigkeitsgesteuert. Außerdem findet eine Messtechnische Erfassung der Prozessdaten statt.  

Einsatzmöglichkeiten: 

  • Untersuchungen zum Zerspanungsverhalten verschiedener Rohrmaterialien, sowie zur Spanform in Abhängingkeit von Vorschubgeschwindigkeit, Drehzahl und Werkzeugmaterial
  • Untersuchungen zu Mechanismen spanender Gesteinszerstörung
  • Untersuchungen zu Mechanismen schlagender Gesteinszerstörung 

Technische Daten: 

  • Max. Probenmasse 300 kg (Gestein)
  • Max. Probenabmessungen (Gestein) BxHxT: 580 mm x 845 mm x 400 mm
  • Probendurchmesser Rohr: 1,9“; 2 3/8“; 2 7/8“; 3 1/2“
  • Drehmoment M = 430 Nm
  • Vorschubgeschwindigkeit 0...35 mm/s
  • Max. Verfahrweg 320 mm
  • Max. Andruckkraft 10 kN

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Susann Klein, 39-2366, Susann [dot] Klein [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de

Bohrtechnisches Labor (Spülung / Zementation)

Diese luftgelagerten Rheometer ermöglichen eine moderne Charakterisierung von Fließeigenschaften sowie die zerstörungsfreie Charakterisierung von Gelen oder thixotropen Medien. Es können Fließkurven, Viskositätskurven, Amplituden-Sweeps, Frequenz-Sweeps oder Kombinationen dieser Messmethoden gefahren werden. Auch Normalkraftmessungen sind möglich. Es stehen Zylinder-, Doppelspalt-, Platte-Platte- und Kegel-Platte-Messsysteme zur Verfügung.

Die beigestellte Druckapparatur am MCR 302 ermöglicht Rotationsmessungen bei bis zu 1000 bar 300°C.

 

Das FANN-Viskosimeter, das Hydrometer, der Marsh-Trichter und die Retorte dienen zur Aufnahme von Kenngrößen zur Untersuchung von Bohrspülungen und Zementschlämmen nach API-Norm. 

Mit dem FANN-Viskosimeter kann die Viskosität der Bohrspülung oder Zementschlämme im Scherratenbereich von (5…1022) 1/s, sowie die Gelstärken und Thixotropie nach API bestimmt werden.

Marsh-Trichter und Hydrometer liefern die Trichterauslaufzeit nach API und die Dichte. 

Mit der Retorte können Öl-, Wasser- und Feststoffanteil einer ölbasischen Spülung bestimmt werden.

Mit der API-Filterpresse kann bei einem Abpressdruck von 7 bar die Filtratmenge nach API bestimmt werden. Ebenso steht eine HT/HP-Filterpresse zur Verfügung (Max. Temp.: 177°C, max. Druck: 82,7 bar (1200 psi)).

Die Bestimmung des Ausbreitmaßes von Zementschlämme erfolgt mit dem AzNII-Kegel.

Es können Prüfprismen zur Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit und Biegezugfestigkeit gegossen werden (4x4x16 cm).

Die Bestimmung von Abbindebeginn und Abbindeende von Zementschlämmen erfolgt mit der Nadelmethode nach Vicat.

Im Rollerofen kann eine Alterung der Bohrspülung bei erhöhter Temperatur über mehrere Stunden und gleichzeitig mechanischer Belastung erfolgen.

Mit der Kugelharfe kann die wirksame Fließgrenze von stützenden Suspensionen gemäß DIN 4126 gemessen werden. Die benötigte Probenmenge beträgt 1 l.

 

Kontakt: Dr. Anne Tamaskovics, 39-3212, anne [dot] tamaskovics [at] tbt [dot] tu-freiberg [dot] de (anne[dot]tamaskovics[at]tbt[dot]tu-freiberg[dot]de)

Ausgewählte Publikationen 

Fachbücher

  • Reich, M.: „Auf Jagd im Untergrund“, 3. überarbeitete, erweiterte und aktualisierte Auflage, 213 Seiten, 2022, Springer, ISBN 978-3-662-64150-7
  • Reich, M., Amro, M.: „Schätze aus dem Untergrund“, überarbeitete 2. Auflage, 161 Seiten, 2022, Springer, ISBN 978-3-662-64948-0
  • Reich M.: „Upps… meine Schatztzruhe tropft. Von flüssigen Schätzen in der Erde“, Kinderbuch, DVV Media Group, 2022, ISBN 978-3-96892-160-0

Zeitschriften

  • Häfner, F.; Reich, M.: „Eine begründete Hoffnung auf Erdwärme für ganz Deutschland: die EAVOR-Loop-Technologie“, EEK, Technologie & Transformation von fossilen und grünen Energieträgern, Heft 5, Mai 2024, Seiten 17 bis 23.
  • Namuq, A. Mohammed; Berro, Mouhammed Jandal; Reich, Matthias: “Measurement while Milling (MWM) - an innovative approach for increasing the casing milling efficiency in deep drilling operations, Science Direct, Petroleum Research, September 2022
  • Reich, M.: „Arten der unterirdischen geothermischen Energiegewinnung – Eine kleine Einführung“, EEK (Technologie & Transformation von fossilen und grünen Energieträgern), Heft 7/8, Juli/August 2022, Seiten 66 – 71
  • Lipus, M.; Kranz, S; Reinsch, T.; Cunow, C; Henninges, J.; Reich, M.: “Distributed viscosity and flow velocity measurements using a fiber-optic shear stress sensor“ Creative commons license, Elsevier, July 16, 2022, 113760
  • Rosenzweig, T., Bollingerfehr, W., Dieterichs, Ch., Herold, M., Kudla, W., Reich, M.: „Deep Borehole Disposal of High Level Radioactive Waste – Results of the Project CREATIF“; Mining Report 5, October 2019, Pages 475 – 486

Vorträge

  • Reich, M.: „The State of the Art in Drilling Engineering“. Vortrag auf der GeoSaxonia-Konferenz am 23. September 2024 in Dresden, Session Deep Geothermal Energy of hydrothermal fault related and petrothermal systems: from geoscientific subsurface data to drilling engineering
  • Ismagilova, E.; Reich, M.: “Experimental Study of the Channel Formation in the Well Cement Sheath and Analysis of Ways to maintain the Cement Stone Integrity”, International Conference on Nanotechnology in Concrete ICNC, August 2024
  • Reich, M: "Chancen und Grenzen der (Tiefen-)geothermie in Deutschland", Vortrag auf dem 3. Freiberger Kongress zur Energiewende am 12.5.2023
  • Grottendieck, L., Reich, M.: „Schlag auf Schlag! Entwicklung spülungsbetriebener Untertagebohrhämmer für die Tiefbohrtechnik“, Vortrag und Manuskript im Tagungsband der DGMK Frühjahrstagung 2021