TP 5: Prototypwerkzeug

Entwicklung und Praxistest neuer Bohrwerkzeuge basierend auf ultraharten Werkstoffen

 

Motivation

Die Erschließung der knapper werdenden Naturresourcen erfordert das Vordringen in immer größere Tiefen der Erdkruste. Dabei kommt der Bohrtechnik eine ständig wachsende Bedeutung zu. Die Kosten einer Tiefbohrung nehmen mit der Teufe überproportional zu, weil die Gesteinsfestigkeit zu- und die Bohrgeschwindigkeit entsprechend abnimmt. Darüber hinaus wächst mit zunehmender Teufe auch der Aufwand, um ein beschädigtes, defektes oder verschlissenes Element (Bohrmeißel) des Bohrstranges auszubauen und zu ersetzen. Solche Aus- und Einbauarbeiten (Roundtrips) des oft viele Kilometer langen Bohrstranges machen einen erheblichen Teil der Gesamtkosten einer Tiefbohrung aus. Das gilt insbesondere für Geothermalbohrungen, die in besonders heiße, also tiefe Horizonte abgeteuft werden müssen. Jeder Roundtrip, der eingespart werden kann, senkt deutlich die Gesamt-Bohrkosten und somit das kommerzielle Risiko des Projektes. An moderne Bohrgarnituren werden deshalb höchste Anforderungen in Bezug auf Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit gestellt. In der konventionellen Tiefbohrtechnik, die auf die Gewinnung von Öl und Gas aus porösen und permeablen Schichten ausgerichtet ist, hat man auf diesem Sektor bereits große Fortschritte erzielt und sehr effektive Bohrverfahren entwickelt. Zur ökonomischen Gewinnung von Strom aus Erdwärme müssen jedoch deutlich kompaktere und härtere Gesteine (zum Beispiel Granit) erbohrt werden. Die existierenden Bohrmeißel der Öl- und Gasbohrtechnik sind nicht optimal auf solche Einsätze abgestimmt. Die Entwicklung und Nutzung spezieller Gesteinszerstörungsmechanismen für Hartgesteine in Kombination mit dem Einsatz ultraharter und verschleißfester Werkstoffe bietet Potenzial für signifikante Kosteneinsparungen und kann dadurch zum erhofften Durchbruch der tiefen Geothermie auf dem Markt führen. Der Einsatz ultraharter Werkstoffe für beispielsweise Panzerungen (Verscheißschutz) oder Hochleistungs-Lager kann ebenso helfen, die Bohrkosten zu reduzieren.

Eigene Vorarbeiten 

Der Projektleiter verfügt über eine fast 20-jährige industrielle Erfahrung auf dem Gebiet der Tiefbohrtechnik. Er war unter anderem als Leiter einer Gruppe zur Optimierung von Bohrprozessen auf Bohrinseln, Manager der Feldtestabteilung für Prototyp-Bohrwerkzeuge und Product Line Manager für automatische Richtbohrsysteme eines führenden Serviceunternehmens der Öl- und Gasindustrie tätig. 

Ziele

Im Rahmen dieses Teilprojektes sollen für die im Hochdruckzentrum entwickelten ultraharten Materialien markttaugliche Einsatzmöglichkeiten in der Tiefbohrtechnik gefunden und vorbereitet werden. 

Arbeitsprogramm

  1. detaillierte Analyse der Belastungsprozesse an Bohrwerkzeug und Gestein
  2. Rückschlüsse für einen effektiveren Bohrprozess im Hartgestein (beispielsweise gezielter Einsatz von Prall- und Schlagprozessen zum Erzeugen von Bohrklein bestimmter Größenklassen, welche sich im Rahmen des Gesamt-Bohrprozesses optimal handhaben lassen)
  3. Entwicklung fertigungstechnischer Methoden zum Einsatz der neuen ultraharten Materialien am Bohrwerkzeug
  4. Umsetzung aller Erkenntnisse beim Entwurf eines Prototyp-Werkzeugs
  5. Bau und Feldeinsatz des Prototyps in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner
  6. detaillierter Vergleich der Testergebnisse mit konventioneller Technologie

Interne und externe Kooperationen 

Innerhalb des Freiberger Hochdruckzentrums ist eine enge Zusammenarbeit mit allen anderen Teilprojekten erforderlich, insbesondere mit denen der Werkstoffherstellung und Charakterisierung.
Außerhalb des Hochdruckzentrums erfolgt die Herstellung und Felderprobung der Prototypwerkzeuge mit einem oder mehreren einschlägigen Servicefirmen der Öl- und Gasindustrie.

Trivia

Bereich: Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Teilprojektleiter: Prof. Dr. M. Reich
Bearbeiter: Ulf Kirsten
Dissertation: "Beitrag zur energetischen und tribologischen Untersuchung von Gesteinsbohrprozessen" - 2014