Bekannte Bohrtechnik, neuer Kniff: Fraunhofer IEG schrumpft den Sidetrack
Eine Turbine kleiner als ein Feuerzeug bohrt durch Stahl und Gestein. Fraunhofer will damit alte Brunnen für Geothermie und Monitoring neu erschließen.
Alte Bohrungen statt neuer Tiefbohrungen: Fraunhofer IEG entwickelt eine Mikro-Bohrtechnik für Geothermie, Grundwasserschutz und Grubenwassermanagement.
Foto: Smarterpix / zblaster
Das Grundprinzip ist älter als manche heutige Ingenieurgeneration. Seitliche Ablenkbohrungen werden in der Öl- und Gasindustrie seit Jahrzehnten eingesetzt. Neu ist daran nichts.
Das Fraunhofer IEG behauptet auch nicht, das Richtbohren neu erfunden zu haben. Die eigentliche Innovation steckt im Werkzeug. Eine nur wenige Zentimeter große Mikro-Turbine erzeugt Seitenbohrungen direkt aus bestehenden Brunnen heraus, selbst dann, wenn diese mit Stahlrohren ausgekleidet sind.
Was zunächst nach einer technischen Nische klingt, könnte für Geothermie, Grundwasserschutz und das Grubenwassermanagement relevant werden. Denn anstatt neue Bohrungen abzuteufen, lassen sich vorhandene Brunnen gezielt erweitern und für zusätzliche Untersuchungen nutzen.
Inhaltsverzeichnis
Alte Bohrungen, neues Potenzial
Deutschland verfügt über Tausende bestehende Bohrungen. Einige dienen der Überwachung von Grundwasser. Andere wurden für Bergbau, Geothermie oder geologische Erkundungen angelegt.
Viele dieser Brunnen liefern allerdings nur begrenzte Informationen über das umliegende Gestein. Besonders schwierig wird es, wenn die Bohrungen mit Stahlrohren ausgekleidet sind. Dann besteht oft kaum direkter Kontakt zur umgebenden Formation.
Genau hier setzt das sogenannte Micro Turbine Drilling (MTD) an. Die Technologie erzeugt kleine Seitenbohrungen, sogenannte Micro-Sidetracks, die direkt aus dem bestehenden Brunnen heraus in das umliegende Gestein führen. Dadurch entsteht wieder eine Verbindung zwischen Bohrung und Formation.
Eine Turbine kleiner als ein Feuerzeug
Kern der Technologie ist eine wassergetriebene Mikro-Turbine. Sie misst weniger als fünf Zentimeter in der Länge und knapp vier Zentimeter im Durchmesser.
Über einen flexiblen Schlauch wird das Werkzeug mit Druckwasser versorgt. Ein diamantbestückter Bohrkopf zerkleinert anschließend Stahl und Gestein. Mithilfe eines Ablenkschuhs verlässt die Turbine das bestehende Bohrloch an einer definierten Stelle und bohrt seitlich weiter.
Der entscheidende Unterschied zu vielen herkömmlichen Verfahren: Die Mikro-Turbine arbeitet sich in einem Arbeitsgang durch die Verrohrung und anschließend in das umgebende Gestein vor. Das reduziert den technischen Aufwand erheblich.
Praxistest in Marl
Ob die Technik außerhalb des Labors funktioniert, musste sie unter realen Bedingungen beweisen. Dazu führte das Fraunhofer IEG gemeinsam mit Partnern einen Feldversuch in Marl durch. Untersucht wurde der sogenannte Emscher-Mergel. Diese Tonschicht spielt im Ruhrgebiet eine zentrale Rolle, weil sie Grubenwasser von darüberliegenden Trinkwasserleitern trennt.
Die Forschenden arbeiteten in einem bestehenden Messbrunnen, der in den relevanten Tiefen bereits mit Stahlrohren ausgekleidet war.
Mit der Mikro-Turbine erzeugte das Team in rund 290 und 330 m Tiefe mehrere seitliche Bohrungen. Die Öffnungen hatten einen Durchmesser von etwa vier Zentimetern und reichten bis zu einem Meter in das umgebende Gestein hinein.
Anschließend konnten die Forschenden die Wasserdurchlässigkeit des Tonsteins untersuchen und die Schutzwirkung der geologischen Barriere bewerten.
Technische Daten des MTD-Verfahrens
- Länge der Sidetracks: bis zu 10 m
- Durchmesser der Sidetracks: bis zu 40 mm
- Einsatztiefe: bis zu 1000 m
- Ablenkwinkel zur Senkrechten: 45° bis 90°
- Bohrgeschwindigkeit: ca. 1 bis 3 m/h
- Bohrbare Materialien: alle Gesteine sowie Stahlrohre
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Warum nicht einfach Löcher in das Rohr schießen?
Eine berechtigte Frage. Schließlich existieren seit Langem Verfahren zur Perforation von Bohrungen. Dabei werden Öffnungen in die Verrohrung eingebracht, um einen Kontakt zum umgebenden Gestein herzustellen.
Das Problem: Solche Perforationen reichen oft nur wenige Zentimeter weit in die Formation hinein. Für detaillierte hydraulische Untersuchungen ist das nicht immer ausreichend.
Die vom Fraunhofer IEG entwickelten Micro-Sidetracks reichen deutlich weiter ins Gestein. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen Bohrung und Formation erheblich. Für Untersuchungen der Wasserdurchlässigkeit oder für Monitoring-Aufgaben kann das die Qualität der gewonnenen Daten verbessern.
Interessant für Geothermie und Grubenwasser
Die Technologie könnte vor allem dort ihre Stärken ausspielen, wo bestehende Infrastruktur weiter genutzt werden soll. Neue Tiefbohrungen kosten schnell mehrere Millionen Euro. Entsprechend attraktiv ist es, vorhandene Bohrungen möglichst lange und möglichst vielseitig einzusetzen.
Mögliche Anwendungen sehen die Forschenden unter anderem in:
- Geothermieprojekten
- Grundwassermonitoring
- Grubenwassermanagement
- Unterirdischen Energiespeichern
- Der Gewinnung von Lithium aus Tiefensolen
- Geologischen Langzeituntersuchungen
Besonders interessant ist dabei, dass die Arbeiten ohne klassische Bohranlage durchgeführt werden können. Fachleute sprechen von einem sogenannten rigless Verfahren. Dadurch sinken Aufwand, Platzbedarf und Kosten.
Nicht nur für weiche Gesteine
Der Feldversuch in Marl fand in Tonstein statt. Nach Angaben des Fraunhofer IEG ist die Technologie jedoch nicht auf solche Formationen beschränkt.
Durch den diamantbestückten Bohrkopf soll das Verfahren auch in härteren Gesteinen wie Granit, Basalt, Kalkstein oder Sandstein einsetzbar sein.
Gerade für die tiefe Geothermie wäre das ein wichtiger Vorteil. Viele geothermische Reservoire liegen in kristallinen Gesteinen, die hohe Anforderungen an die Bohrtechnik stellen.
Keine Revolution, aber eine interessante Weiterentwicklung
Wer sich mit Bohrtechnik beschäftigt, wird im MTD-Verfahren viele bekannte Elemente wiedererkennen. Sidetracks, Ablenkschuhe und Richtbohrprinzipien gehören seit Langem zum Werkzeugkasten der Branche. Die eigentliche Neuerung liegt an anderer Stelle.
Das Fraunhofer IEG hat diese Konzepte so weit verkleinert, dass sie sich in bestehenden, verrohrten Brunnen einsetzen lassen. Statt neue Bohrungen abzuteufen, können vorhandene Anlagen gezielt erweitert werden.
Genau darin steckt das Potenzial der Technologie. Nicht weil sie das Richtbohren neu erfindet, sondern weil sie bekannte Bohrtechnik für Anwendungen nutzbar macht, die bisher oft zu aufwendig oder zu teuer waren.
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