Advertisement

BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte

, Volume 162, Issue 10, pp 453–456 | Cite as

Entwicklung eines adaptierten Bohrverfahrens zur Senkung der Bohrkosten für Geothermiebohrungen

  • Thomas StoxreiterEmail author
  • Robert Galler
Open Access
Originalarbeit
  • 433 Downloads

Zusammenfassung

In Anbetracht der schwankenden Energieversorgung aus Wind- und Solarenergie und der aktuellen politischen Herausforderungen besteht für Europa dringender Bedarf an einer permanenten, erneuerbaren Energiequelle. Die Nutzung geothermischer Energie, speziell in Form von EGS (Enhanced Geothermal Systems), bietet dafür eine vielversprechende Möglichkeit. Aufgrund der großen Tiefen der entsprechenden geothermischen Reservoire haben die Bohrkosten einen bedeutenden Anteil an den Projektkosten. Um die Bohrgeschwindigkeit zu erhöhen und somit die Kosten zu senken, wird im Rahmen des EU-Projektes „Thermodrill“ ein alternatives Bohrverfahren entwickelt. Mit Hilfe der Daten aus insgesamt 18 Bohrungen kann der Stand der Technik hinsichtlich tiefer Bohrungen im Hartgestein definiert werden. Auf Basis dieser Daten werden die Ziele für das alternative hybride Bohrverfahren, bestehend aus konventionellem Drehbohren und Hochdruckwasserstrahlschneiden, festgelegt. Mittels ausgedehnter interdisziplinärer Untersuchungen betreffend Meißel-Design, Bohrspülung, Feststoffkontrolle, Felsmechanik und numerischer Simulation werden neue Konzepte erarbeitet und anschließend in Form von In-Situ-Großversuchen überprüft. Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die bisherigen Herausforderungen des Projektes und ausgewählte Erkenntnisse.

Schlüsselwörter

Geothermische Energie Tiefbohrtechnik Hybride Bohrverfahren 

Development of an Adopted Drilling Process Aiming at the Reduction of Costs for Geothermal Wells

Abstract

Due to the intermittent energy supply of wind and solar power in combination with the current political challenges, Europe needs a renewable energy source producing on a permanent basis. The utilisation of geothermal energy, especially in form of EGS (Enhanced Geothermal Systems), is a promising option. Because of the great depth of suitable geothermal reservoirs, the drilling costs represent a substantial part of the final costs. In order to reduce drilling costs by increasing drilling velocity, an alternative drilling system within the framework of the EU-project “ThermoDrill” is under development. Using the data of 18 wells reaching granite basement, the state of art regarding hard rock drilling can be defined. Based on these data, the goals of the alternative hybrid drilling system are set. The drilling system will be a combination of conventional rotary drilling and high pressure water jetting. Extensive interdisciplinary investigations concerning bit design, drilling fluid, solid control, rock mechanics and numerical simulation are the groundwork for new concepts, which will subsequently be validated via in-situ large-scale tests. This paper gives a short overview of the challenges encountered so far and some selected results within the project.

Keywords

Geothermal energy Deep drilling technology Hybrid drilling processes 

1 Einleitung

Europa benötigt dringend erneuerbare Energiequellen, welche permanent Strom und Wärme zur Verfügung stellen, um so die schwankende Energieversorgung aus Wind- und Solarenergie zu ergänzen. Zusätzlich machen es die aktuellen politischen Herausforderungen notwendig, eine möglichst unabhängige Versorgung mit Energie für Europa anzustreben und auf diese Weise Energiesicherheit zu gewährleisten. Als eine der vielversprechendsten Möglichkeiten bietet sich die Nutzung von geothermischer Energie an. Das Konzept der EGS (Enhanced Geothermal Systems) erlaubt die Umwandlung von geothermischer Energie in elektrische Energie. Allerdings liegen in den meisten Regionen Europas die entsprechenden Reservoire in einer Tiefe von 5000–6000 m. Die Erschließung dieser Reservoire ist mit enorm hohen Bohrkosten verbunden, welche die wirtschaftlich sinnvolle Nutzung von geothermischer Energie zur Stromerzeugung in Frage stellen. Um die Kosten signifikant zu senken, erarbeitet ein internationales Konsortium, bestehend aus insgesamt 9 Partnern aus 6 verschiedenen Ländern, im Rahmen des EU-Projektes „ThermoDrill“ ein alternatives hybrides Bohrfahren. Von Seiten der Montanuniversität Leoben beinhaltet dies die enge Kooperation des Lehrstuhls für Subsurface Engineering und des Lehrstuhls für Petroleum and Geothermal Energy Recovery.

Ziel dieses neuen Bohrverfahrens ist, die Bohrgeschwindigkeit in hartem, kristallinem Gebirge zu verdoppeln und so die Bohrkosten um mindestens 30 % zu senken. Außerdem soll mit einer Bohrtechnik „Made in Europe“ die Wertschöpfung innerhalb Europas gesteigert werden [1].

2 Bohrbarkeit von Hartgesteinen – Stand der Technik

Die „Rate of Penetration“ (ROP) in m/h ist die Geschwindigkeit des Meißels während des Bohrvorganges und damit ein Maß für Bohrbarkeit der vorliegenden Lithologie. Die Bohrkosten hängen stark mit der Bohrdauer zusammen, welche direkt mit der ROP in Zusammenhang steht. Dadurch ist die „Rate of Penetration“ auch als Schlüsselparameter für das ThermoDrill-Projekt zu betrachten. Um den Stand der Technik bezüglich der Bohrbarkeit von harten kristallinen und klastischen Gesteinen zu quantifizieren, wurde von Baujard et al. eine Datenbank mit ROP-Werten von 18 Bohrungen in Hartgestein erstellt. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt. Daraus ist deutlich erkennbar, dass die ROP mit zunehmender Tiefe abnimmt und unterhalb von 3500 m bei rund 3 m/h zu stagnieren beginnt. Überraschenderweise zeigen massiver und zerklüfteter Granit annähernd gleiche ROP-Werte [2].
Abb. 1

Daten über die Bohrbarkeit von Hartgestein [2]

3 Alternatives Bohrverfahren

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden intensive Anstrengungen unternommen, die ROP in kristallinem Hartgestein zu steigern. Die Überlegungen reichen von verschiedenen Bohrverfahren wie z. B. schlagendes oder drehendes Bohren, verschiedenen Meißeltypen und modernen, immer widerstandsfähigeren Materialien für Bohrmeißel und Meißeleinsätze.

Als weitere Alternative gelten hybride Verfahren, also die Kombination von konventionellen Bohrverfahren mit anderen Gesteinslösetechniken. Besonders aussichtsreich erscheint die Kombination mit Ultra-Hochdruckwasserstrahlschneiden. In der Vergangenheit konnten etwa Veenhuizen et al. [3] und Li et al. [4] bereits nachweisen, dass dieses Verfahren in der Lage ist, die ROP deutlich zu steigern. Trotzdem hat sich diese Technologie noch nicht kommerziell durchgesetzt. Dieser Umstand ist auf mehrere Ursachen zurückzuführen, wobei oft die Beständigkeit der Druckerzeugungseinheit und des Bohrmeißels eine wichtige Rolle spielt. Daher liegt ein Schwerpunkt des Thermodrill-Projekts auf einem robusten Bohrmeißel-Design und der detaillierten Untersuchung weiterer Einflussparameter. Beispielsweise wird eine speziell angepasste Bohrspülung entwickelt sowie die Kontrolle der feinen Partikel verbessert, um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen.

3.1 Felsmechanische Untersuchungen

Neben vielen weiteren wichtigen Aspekten stellen die felsmechanischen Untersuchungen eine entscheidende Komponente dar. Als erster Schritt erfolgte die Charakterisierung des Zielgesteins – ein fein bis mittelkörniger Granit – mit Hilfe gängiger Laborversuche wie etwa einaxiale und triaxiale Druckversuche und Brazilian Tests. Aus Untersuchungen bei verwandten Fragestellungen, z. B. dem Gesteinsschneiden mittels Diske, und auch aus den Erkenntnissen der Datenbank ist bekannt, dass die Schneidbarkeit und die Festigkeit nicht zwangsweise direkt verknüpft sind. Daher war es unerlässlich, Hochdruckwasserstrahlschneidversuche durchzuführen. Diese Versuche sollten einerseits Erkenntnisse über die Gesteinslösung mit einem Hochdruckwasserstrahl liefern und andererseits relevante Informationen für das Bohrmeißel-Design zur Verfügung stellen. Dazu gehören unter anderem die Stand-Off-Distanz, der Düsendurchmesser und der Pumpendruck. Während für atmosphärische Bedingungen bzw. geringe hydrostatische Drücke eine große Fülle an Literatur bereits verfügbar ist (beispielsweise Karakurt et al. [5] und Hlaváč et al. [6]), existieren für hohe hydrostatische Drücke im Bereich von 300 bar und mehr so gut wie keine Daten. Da dies jedoch den „Arbeitsbereich“ einer Geothermiebohrung darstellt, liegt der aktuelle Fokus der Wasserstrahlschneidversuche genau in diesem Druckbereich. Eine eigens entwickelte Druckzelle erlaubt Versuche bis 375 bar hydrostatischem Druck. Obwohl die Versuche noch andauern, kann bereits jetzt gesagt werden, dass sich die Ergebnisse unter Gegendruck von den atmosphärischen Versuchen deutlich unterscheiden.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Der Stand der Technik bezüglich der Bohrbarkeit von Hartgestein kann mit Hilfe der in [2] präsentierten Datenbank gut quantifiziert werden. Dabei zeigt sich, dass mit zunehmender Tiefe die ROP kontinuierlich abnimmt und schließlich unterhalb von 3500 m bei rund 3 m/h langsam stagniert. Um die ROP in diesen Tiefen, aber auch darüber, signifikant zu steigern, wird im Rahmen des ThermoDrill-Projekts ein hybrides Bohrverfahren, bestehend aus konventionellem Drehbohren und Hochdruckwasserstrahlschneiden entwickelt. Dabei spielen neben der Entwicklung einer Druckerzeugungseinheit im Bohrloch und einem robusten Bohrmeißel mit speziellen Hochdruckeinrichtungen viele weitere Faktoren eine Rolle. So sind die Bohrspülung und die Feststoffkontrolle ein wichtiger Teilbereich. Abgesehen von den felsmechanischen Untersuchungen, welche sich im Moment auf das Wasserstrahlschneiden unter hohen hydrostatischen Drücken konzentrieren, kommt der numerischen Simulation eine große Bedeutung zu. So beschäftigt sich beispielsweise Eisner [7] mit der numerischen Abbildung von Hochdruckwasserstrahlen und kann so Aspekte untersuchen, welche experimentell nicht zugänglich sind.

Die bisherigen Erkenntnisse der verschiedenen Teildisziplinen sind insgesamt sehr vielversprechend, unter anderem auch deshalb, weil versucht wurde, aus den negativen Erfahrungen vorangegangener Projekte zu lernen. Nach Abschluss der Laborversuche und der Fertigstellung des Bohrmeißels und der Druckerzeugungseinheit folgen In-Situ-Großversuche zur Validierung des entwickelten Konzeptes.

Notes

Förderung

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant agreement No. 641202.

Literatur

  1. 1.
  2. 2.
    Baujard, C. et al.: Rate of penetration of geothermal wells: a key challenge in hard rocks, Proceeding 42nd Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California, 2017Google Scholar
  3. 3.
    Veenhuizen, S. D. et al.: Ultra-High Pressure Down Hole Pump for Jet-Assisted Drilling, IADC/SPE Drilling Conference, 1996. Society of Petroleum Engineers, SPE Conference Paper 35111-MS SPE, doi: 10.2118/35111-MS CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Li, G. et al.: Hydraulic Pulsed Cavitating Jet-Assisted Drilling, Petroleum Science and Technology, Taylor & Francis Group, London, England, 2009Google Scholar
  5. 5.
    Karakurt, I. et al.: An Experimental Study on the Depth of Cut of Granite in Abrasive Waterjet Cutting, Materials and Manufacturing Processes, Volume 27, Taylor & Francis Group, London, England, 2012Google Scholar
  6. 6.
    Hlaváč, L.M. et al.: New results of underwater rock cutting by pure waterjet, WJTA American Waterjet Conference, Water Jet Technology Association, St. Louis, Missouri, 2005Google Scholar
  7. 7.
    Eisner, P.: Analysis of a high-velocity jet in oil and gas drilling, 11th European Fluid Mechanics Conference, European Mechanics Society, 2016Google Scholar

Copyright information

© The Author(s) 2017

Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de) veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.

Authors and Affiliations

  1. 1.Lehrstuhl für Subsurface Engineering, Department Mineral Resources EngineeringMontanuniversität LeobenLeobenÖsterreich

Personalised recommendations