Promotion am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik

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1 Promotion am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik Geothermie und Hochleistungsbohrtechnik (gebo): Analyse des Einsatzes konventioneller und unkonventioneller Bohrverfahren Hintergrund In einer vom Bundestag beauftragten Studie aus 2003 wird das technische Potential geothermischer Energiegewinnung (elektrisch und thermisch) in Deutschland auf das etwa 200-fache des Primärenergieverbrauches geschätzt. Größtes Hindernis für die wirtschaftliche Nutzung des Potentials sind die Herstellungskosten für die erforderlichen Bohrungen. Sie machen typischerweise drei Viertel der Gesamtinvestition aus. Die Verteilung der Bohrkosten zeigt, dass zur Senkung der Herstellungskosten einer Bohrung Verbesserungen in praktisch allen Bereichen erforderlich sind Die Reduzierung der Bohrkosten und die Anwendung moderne Bohrtechnik für die Erschließung geothermischer Ressourcen ist Gegenstand eines Verbundvorhabens gebo (Geothermie und Bohrtechnik) das vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur und der Baker Hughes Celle GmbH (BHI) gefördert wird. Verteilung der Herstellungskosten von Tiefbohrungen Untersuchungsziel Ziel ist die Identifikation/Entwicklung sowie Integration von Technologien und Verfahren für die Herstellung von Bohrungen, die zu einer signifikanten Reduktion der Herstellungskosten führen. Der Schwerpunkt der Arbeiten dieses Projektes liegt in den Bereichen Gesteinszerstörung Bohrlochherstellung und Verrohrung. Die Arbeiten zielen insbesondere ab auf Verkleinerung der Bohranlagen durch neue Bohrverfahren Reduktion des Energiebedarfs durch neue Bohrverfahren und Spülungssysteme Erhöhung des Bohrfortschritts durch verbesserte Gesteinszerstörungsprozesse Reduktion der Materialkosten für Spülung, Verrohrung und Zementation durch neue Bohr- verfahren, die kleinere Bohrungsdurchmesser Coiled tubing drilling ermöglichen Sicherstellung der Bohrungsintegrität auch unter Hochdruck-/Hochtemperatur-Bedingungen durch Einsatz von gewindelosen (Schweiß-)Verbindungen Seite- 1 von 7-

2 Bearbeitungsgang Das Ziel einer signifikanten Senkung der Herstellungskosten von Tiefbohrungen soll durch Kombination und Weiterentwicklung verschiedener Ansätze und Verfahren erreicht werden. Auf Grund der vielfältigen Kostentreiber ist die angestrebte signifikante Reduktion der Bohrkosten nur in einem ganzheitlichen Ansatz möglich. Für das Projekt sind die folgenden Arbeitspakete geplant Bohrkostenanalyse zur Feststellung der Kostentreiber von Tiefbohrungen Literaturstudie zur Aufnahme der möglichen (neuen) Verfahren, ihre Bewertung sowie die Dokumentation des Standes der Technik Werkstoff-, Verfahrens- und Festigkeitsuntersuchungen für Coiled Tubing und Expanded Tubular Bewertung von Werkstoffen und Verfahren und Erarbeitung eines Auswahlverfahrens für Bohrungsherstellung und Komplettierung. Durch Analyse der Bohrkosten von Tiefbohrungen, die im Rahmen des Bundesbohrprogramms niedergebracht wurden und, soweit verfügbar, aus Daten der Industrie sollen die Kostentreiber ermittelt werden, um die Schwerpunkte des Verbundvorhabens richtig setzen zu können. Verfahrensanalysen und -bewertungen sind insbesondere geplant für neue Verfahren zur Bohrlochherstellung (konventionelles Verfahren, Slim Hole/Micro Drilling, Kernbohrverfahren, Coiled Tubing und Casing Drilling Verfahren, etc.) Gesteinszerstörung (Wasserstrahl mit/ohne Feststoff, Laser, Akustik, Hammer, etc.) Verrohrung (konventionelle Verfahren, Expanded Tubular, gefaltete Rohre). Die Bewertung der Verfahren erfolgt hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeit (Tiefbohrungen, Geothermie, Öl/Gas), Effizienz (Kosten, Bohrfortschritt) und ihrer technischen Realisierbarkeit. Eigenständige Arbeiten zu Coiled Tubing und Expanded Tubulars sollen die Ergebnisse zum Stand der Technik ergänzen und Aussagen zulassen zu Werkstoffen, Verfahren und Festigkeitsverhalten insbesondere Coiled Tubing: Werkstoffauswahl, Verhalten unter hohem Innendruck, konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer, Feststellung des Ermüdungszustands im Betrieb unter Biegewechselbeanspruchung. Zur Durchführung der erforderlichen Untersuchungen zur Dauerfestigkeit bei hohem Innendruck sind Ergänzungen der Einrichtungen im ITE Rohrprüfzentrum notwendig, z.b. um eine Biegewechselapparatur. Expanded Tubulars: Werkstoffauswahl, Verhalten massiver im Vergleich zu mehrwandigen Tubes, Faltungsmöglichkeiten, Vergleich mechanische hydraulische Aufweitung in praxisnahen Versuchen an (unterschiedlich geweiteten, z.b. 10, 15, 20%) Prüfkörpern mit einer Mindestlänge von einem 10-fachen des Durchmessers, Rückformverhalten, Maßhaltigkeit des Driftdurchmessers, Außendruckprüfungen der geweiteten Rohre, Kombination bzw. Verträglichkeit mit konventionellen und unkonventionellen Bohrgeräten und Bohrverfahren. Die für die Aufweitung der Rohre notwendigen Apparaturen sind zu konzipieren und zu bauen. Bei Bedarf sind Finite-Elemente Rechnungen durchzuführen. Erwartete Ergebnisse Integriertes Verfahren zur Herstellung von Tiefbohrungen, das zu einer signifikanten Kostenreduktion für Tiefbohrungen führt. Erforderliche Ausbildung/Vorkenntnisse Studium in Erdöl- und Erdgastechnik, Richtung Drilling/ Production oder Maschinenbau, Konstruktionskenntnisse, Kenntnisse im Umgang mit relevanter EDV inkl. FEM Analysen Seite- 2 von 7-

3 Weitere Information Dr. Catalin Teodoriu Institut für Erdöl-/ Erdgastechnik Agricolastr Clausthal-Zellerfeld Tel.: Fax: Seite- 3 von 7-

4 Promotion am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik Geothermie und Hochleistungsbohrtechnik (gebo): Drilling Simulator für Bohrungsplanung und Bohrungsausführung Hintergrund In einer vom Bundestag beauftragten Studie aus 2003 wird das technische Potential geothermischer Energiegewinnung (elektrisch und thermisch) in Deutschland auf das etwa 200-fache des Primärenergieverbrauches geschätzt. Größtes Hindernis für die wirtschaftliche Nutzung des Potentials sind die Herstellungskosten für die erforderlichen Bohrungen. Sie machen typischerweise drei Viertel der Gesamtinvestition aus. Die Verteilung der Bohrkosten zeigt, dass zur Senkung der Herstellungskosten einer Bohrung insbesondere die Kosten für die Herstellung des Bohrloches verringert werden müssen. Die Reduzierung der Bohrkosten und die Anwendung moderne Bohrtechnik für die Erschließung geothermischer Ressourcen ist Gegenstand eines Verbundvorhabens gebo (Geothermie und Bohrtechnik) das vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur und der Baker Hughes Celle GmbH (BHI) gefördert wird. Verteilung der Herstellungskosten von Tiefbohrungen Untersuchungsziel Projektziel ist die Konzeption und prototypische Entwicklung eines Bohrungssimulators, der vorhandene und im Kontext des Gesamtprojektes zu entwickelnde Modelle integriert, um den Bohrprozess in seinen Abhängigkeiten zu beschreiben. Der Simulator soll mit 3D Visualisierungssoftware und speziellen Optimierungsmodulen vernetzt werden. Die Anwendung des Simulators soll in der Planungsphase: die Entwicklung eines optimierten Bohrplans unterstützen sowie Zielkonflikte und Machbarkeitsprobleme erkennen und auflösen in der Ausführungsphase: die Überwachung und Diagnose des aktuellen Bohrprozesses unterstützen die integrierte Optimierung des zukünftigen Bohrprozesses unterstützen sowie die Prognose der weiteren Entwicklung des Bohrvorganges verbessern Seite- 4 von 7-

5 Bearbeitungsgang Die Entwicklung des Simulators dient einer besseren Bohrungsplanung und einer überwachten Bohrungsausführung, um Leerlaufzeiten durch Bohrloch und Bohrstrang bezogene Probleme zu vermeiden und einen unter den gegebenen Untergrundbedingungen optimalen Bohrfortschritt zu erreichen. Hierfür ist eine Integration von Modellen zur Beschreibung der Bohr-Subprozesse und ihrer Wechselwirkungen notwendig. Die wichtigsten Subprozesse sind die Multiphasen- Bohrungshydraulik, Torque & Drag, Bohrstrangschwingungen, Gesteinszerstörung, Bohrlochstabilität, Bohrpfadpositionierung und Porendruck. Für eine Anwendung dieser Modelle sind notwendig: echtzeitnahe Bohrungs- und geologische Daten laufende Überwachung von Bohrstrang und Bohrprozess für die Diagnose von nicht erwartetem Verhalten echtzeitnahe geophysikalische und petrophysikalische Daten für die automatisierte Aktualisierung eines geomechanischen Modells zur Bewertung der Bohrlochstabilität Verknüpfung mit dem Lagerstättenmodell. Die Abschätzung der Auswirkungen auf die Modellierungsergebnisse soll unter Anwendung von Methoden der quantitativen Risikoanalyse erfolgen. Zur Unterstützung eines automatisierten Monitoring, für das Daten aus verschieden Quellen kombiniert, interpretiert bzw. bewertet werden müssen, soll die Anwendung von Experten- Systemen, neuronalen Netzwerken und künstlicher Intelligenz untersucht werden. Dadurch soll ein Schließen des Kreislaufs von Planen, Ausführen und Lernen (Closed Loop) für zukünftige Bohrungen in vergleichbarer Umgebung erreicht werden. Besondere Beachtung soll dem Software Engineering geschenkt werden, z.b. der Datenmodellierung, um die verschiedenen Anwendungen optimal zu vernetzen, das effektive Bewegen und Verwalten großer Datenmengen auch über geschlossene Computernetzwerke hinaus zu gestalten sowie das Visualisieren von Bohr-Subprozessen in ihrem wechselseitigem Zusammenhang. Erwartete Ergebnisse Prototyp eines Bohrungssimulators Erforderliche Ausbildung/Vorkenntnisse Studium in Erdöl-Erdgastechnik, Richtung Drilling und Production, Kenntnisse im Umgang mit relevanter EDV. Weitere Information Dr. Catalin Teodoriu Institut für Erdöl-/ Erdgastechnik Agricolastr Clausthal-Zellerfeld Tel.: Fax: Seite- 5 von 7-

6 Promotion am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik Geothermie und Hochleistungsbohrtechnik (gebo): Monitoring und Steuerung von Bohrstrang-Beanspruchungen Hintergrund In einer vom Bundestag beauftragten Studie aus 2003 wird das technische Potential geothermischer Energiegewinnung (elektrisch und thermisch) in Deutschland auf das etwa 200-fache des Primärenergieverbrauches geschätzt. Größtes Hindernis für die wirtschaftliche Nutzung des Potentials sind die Herstellungskosten für die erforderlichen Bohrungen. Sie machen typischerweise drei Viertel der Gesamtinvestition aus. Die Verteilung der Bohrkosten zeigt, dass zur Senkung der Herstellungskosten einer Bohrung insbesondere die Bohreffizienz verbessert werden muss. Die Reduzierung der Bohrkosten und die Anwendung moderne Bohrtechnik für die Erschließung geothermischer Ressourcen ist Gegenstand eines Verbundvorhabens gebo (Geothermie und Bohrtechnik) das vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur und der Baker Hughes Celle GmbH (BHI) gefördert wird. Verteilung der Herstellungskosten von Tiefbohrungen Untersuchungsziel Projektziel ist die Entwicklung von Methoden (Software bzw. Algorithmen) zur Kompensation von Schwingungen des Bohrstranges, um einen optimalen Bohrfortschritt zu gewährleisten und Schädigungen an Bohrstrang und Bohrwerkzeugen zu vermeiden sowie die Überprüfung der Methoden in Feldtests, die durch BHI durchgeführt werden. Bearbeitungsgang Aufgrund ihres elastischen Materialverhaltens stellen lange Bohrstränge schwingungsfähige Gebilde dar. Besonders beim Bohren mit Rollenmeißeln in hartem und klüftigem Gestein wird der Bohrstrang zu Schwingungen angeregt. Diese wirken sich negativ auf die Bohrgeschwindigkeit aus und können Bohrstrang und Bohrwerkzeug schädigen bzw. zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer führen. Für die Überwachung der Umgebungsbedingungen während des Bohrens sind zahlreiche Werkzeuge entwickelt worden, die die Ölindustrie im Feld einsetzt. Um deren Nutzen und Effizienz weiter zu steigern, müssen Methoden entwickelt werden, die die Bohrstrangdynamik beobachten bzw. regeln, um durch die Kompensation der Bottomhole Assembly(BHA)-Schwingungen die Randbedingungen beim Bohren zu verbessern. Für das Projekt sind die folgenden Arbeitspakete geplant Modellentwürfe auf Basis Stand der Technik: o Literatur und Patentrecherche, Auswahl und Entwurf mechanischer Modelle, Planung von Labortests Seite- 6 von 7-

7 Entwicklung und Anwendung von Modellen für die Dynamik der Bottom-Hole-Assembly (BHA) und Validierung der Modelle: o Detaillierung der mechanischen Modelle, Test der Modelle mit Labormessungen und vorhandenen Felddaten, Simulationen mit den neuen Modellen, Planung von Feldtests und Erstellen eines Zwischenberichts. Das ausgewählte Modell für die Dynamik der BHA ist die Basis der weiterführenden Arbeiten zur Entwicklung von Methoden zur Regelung der Schwingungen und zur Prognose von geomechanischen Eigenschaften der erbohrten Gesteinsformation. Hierzu sollen unterschiedliche Methoden entwickelt und an Messdaten validiert werden. Entwicklung von Methoden zur adaptiven Regelung von Bohrstrangschwingungen, Feldtests, Validierung der Modelle, Simulationen für die aktuellen Fragestellungen und Validierung der Simulationen: Die vorgenannten Modelle müssen in der Lage sein, die Möglichkeiten der Einflussnahme auf Bohrstrangschwingungen abzubilden. Die Schwingungen, die innerhalb eines vorzugebenden Toleranzbandes akzeptabel sind, lassen sich beeinflussen durch Regelung von Bohrparametern an der Oberfläche (Regelung der Drehzahl, Regelung der Hakenposition, soweit sie von Einfluss auf Meißellast ist, bzw. deren Veränderungsgeschwindigkeit) oder im Bohrloch (Thruster, Shock Absober). Eine Machbarkeitsstudie und ein Vergleich der Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze stellen einen Meilenstein des Projektes dar. Die zu entwickelnde adaptive Regelung muss in der Lage sein, auf Änderungen während des Bohrprozesses zu reagieren. Hierfür muss die Formation bzw. deren Eigenschaften von dem Algorithmus identifiziert und mit diesen Informationen eine Aktualisierung des Reglers durchgeführt werden. Diese Identifikation soll die offensichtlichen Einflüsse der Umgebung auf das Weight on Bit (WOB), Torque on Bit (TOB) und der Bit- und BHA-Drehzahl bzw. deren Eigenschaften minimieren, indem direkt bei Formationsvariationen in den Prozess eingegriffen werden kann. Bei Verfügbarkeit entsprechender Mittel ist ein Small Scale Modell zur Simulation der Bohrstrangschwingungen zu konzipieren, zu bauen und zu betreiben. Erwartete Ergebnisse Im Feldtest erprobte Software zur Simulation von Bohrstrangschwingungen und ihrer Kompensation. Erforderliche Ausbildung/Vorkenntnisse Studium in Erdöl- und Erdgastechnik, Richtung Drilling/ Production oder vertiefte Studienkenntnisse in Technischer Mechanik und Kenntnisse im Umgang mit relevanter EDV. Weitere Information Dr. Catalin Teodoriu Institut für Erdöl-/ Erdgastechnik Agricolastr Clausthal-Zellerfeld Tel.: Fax: catalin.teodoriu@tu-clausthal.de Seite- 7 von 7-