DAS ELEKTRO-IMPULS-VERFAHREN DIE E(I)V-OLUTION DER TIEFBOHRTECHNIK

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1 68. Berg- und Hüttenmännischer Tag am 7. und 8. Juni 2017 KOLLOQUIUM 4 - Die neue Tiefbohrtechnik - innovativ aus der Krise Lehmann, Franziska (TU Bergakademie Freiberg) DAS ELEKTRO-IMPULS-VERFAHREN DIE E(I)V-OLUTION DER TIEFBOHRTECHNIK Die Tiefbohrtechnik wird stets vor neue Herausforderungen gestellt. Beim Bohren nach Erdöl oder Erdgas, aber insbesondere beim Abteufen tiefer Geothermalbohrungen müssen oft sehr harte Formationen durchbohrt werden. Die Optimierung der konventionellen Technologien des Rotarybohrens stoßen hier an ihre Grenzen. Rollen- und PDC-Meißel wurden bspw. speziell für das Bohren von Sedimentgesteinen entwickelt und erzielen in besonders abrasiven oder harten Formationen nur unzureichende Bohrgeschwindigkeiten. Hier ist es notwendig, nach neuen Ansätzen für das Gesteinslösen und Bohren zu suchen, mit denen Tiefbohrungen in diesen Formationen wesentlich effektiver und wirtschaftlicher als bisher hergestellt werden können. Dafür bietet sich die neue Technologie des Elektro- Impuls-Bohrens an. Das Verfahren verwendet im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Bohrverfahren Hochspannungsimpulse, um das Gestein zu zerstören. Da es im Prinzip berührungslos auf der Bohrlochsohle arbeitet, wird der Verschleiß am Bohrkopf deutlich reduziert. Dies ermöglicht längere Standzeiten des Werkzeuges, reduziert die Anzahl an Roundtrips und damit die unproduktive Zeit der Bohranlage und senkt die Bohrkosten. Im aktuellen vom BMWi geförderten Projekt Entwicklung und in-situ Erprobung eines EIV-Bohrsystems (ISEB) wird ein vollständiges Bohrsystem entwickelt, das als modulare Einheit auf einer konventionellen Bohranlage eingesetzt werden kann. Das Bohrsystem enthält den Bohrkopf mit Elektrode und die benötigte Energieversorgung. Die Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Energie erfolgt vollständig in der Bohrgarnitur im Bohrloch. Die Energie dafür wird aus der hydraulischen Energie der Bohrspülung gewonnen. Das Bohrsystem wird für ein 12 ¼ Bohrloch, 200 C Bohrlochtemperatur und 1000 bar Umgebungsdruck entwickelt. Vorangegangene Untersuchungen versprechen einen Bohrfortschritt von 1-2 m/h in kristallinen Gestein. Die erwartete Einsatzdauer zwischen zwei Roundtrips liegt bei ca. 350 h. Das ist ein Vielfaches der Standzeiten herkömmlicher Rollenmeißel, die sonst im Hartgestein eingesetzt werden. Im bisherigen Projektverlauf wurden die Einzelkomponenten des Systems entwickelt und im Labor getestet. Darüber hinaus fanden Hochdruckversuche statt, die nachweisen, dass das Elektro-Impuls-Verfahren auch bei 500 bar Druck funktioniert. Derzeit wird ein vollständiger Laborprototyp mit einer Gesamtlänge von 19 m entwickelt, in dem alle Einzelkomponenten integriert sind. Dieser Laborprototyp wird zunächst im Labor und im Anschluss in einer echten flachen Bohrung im Freiberger Gneis getestet. Der aktuelle Stand des Projektes soll vorgestellt werden.

2 INSTITUT FÜR BOHRTECHNIK UND FLUIDBERGBAU Elektro-Impuls-Verfahren Die E(I)V-olution der Tiefbohrtechnik Franziska Lehmann, Erik Anders, Matthias Voigt, Matthias Reich, Jürgen Weber 68. Berg- und Hüttenmännischer Tag - 7. bis 9. Juni 2017 Kolloquium Die neue Tiefbohrtechnik - innovativ aus der Krise" 1

3 Der Gegner SANDSTEIN GRANIT 2

4 Die Avengers

5 EIV-Bohrsystem DEISY Deep Drilling with Electric Impulse Drilling System 4

6 EIV-Bohrsystem DEISY Dichtungssystem Generator doppelwandiges Gehäuse Steuerung Getriebe Transformator Gleichrichter Turbine Hochspannungsgenerator Elektrode 5

7 Entladung im Gestein in kv/mm Durchschlagfestigkeit Impulsfeldstärke Wasser Granit Zeit in ns 6

8 Elektrode Hochspannungselektrode Erdelektrode 7

9 Herausforderung Bauraum Bohrloch 12¼ (311 mm) Tools 9½ (241 mm) Komponenten 130 mm Spülung Inneres Rohr 200 mm (ID) Halterung 8

10 Versuchsstand Prototyp Spülungstank Spülungspumpe Steuer- und Messsystem Manipulator Versuchsbehälter Probegestein: Würfel aus Granit mit 0,6 m Kantenlänge Sicherheitsmaßnahmen: - Schutzzaun mit Schutzschalter - Erdung aller Bauteile 9

11 Versuchsdurchführung E in J 500 f in Hz 25 D B in mm; 311; 12 ¼ E spez in J/cm ROP in m/h 1,5 t L in h

12 Hochdruckversuche Probenhalter Probe Hochdruckbehälter Elektrode Hochspannungsteiler Durchführung Hochspannungsgenerator 500 bar Hochdruckbehälter 11

13 Hochdruckversuche 12

14 Leistungsbetrachtung Turbine η = 80 % Planetengetriebe η = 95 % Generator η = 90 % Transformator η = 90 % Gleichrichter η = 95 % Hochspannungsgenerator η = 94 % Elektrode η = 50 % 24 kw 20 kw 18,5 kw 16,5 kw 14,5 kw 13,5 kw 12,5 kw 6,25 kw EIV Bohrsystem P out = 6,25 kw ηη = 26 % P in = 24 kw Rotary-Bohrverfahren P out = 8,7 kw ηη = % P in = kw 13

15 Vergleich mit Rotary-Verfahren 14

16 Vergleich mit Rotary-Verfahren 15

17 Testbohrung in Freiberg Zeitraum:

18 Vorbereitung 17

19 Vorbereitung Erste Bohrlochabschnitt mit Standrohr aus Kunststoff abgesichert 1-2 m Lehm verwitterter Gneis 7-8 m Grundwasserstand stabiler Gneis 18 m 18

20 Vorbereitung der Versuche 19

21 Vorteile des EIV - minimaler Verschleiß - lange Standzeiten - geringe oder keine Rotation notwendig - kein Andruck notwendig 20

22 Die Zukunft des EIV - Nachweis der Bohr- - geschwindigkeit und Standzeit - Kleinere Bohrlochdurchmesser - Entfernen von Scalings - Zerkleinerung von Erzen - HDD-Bohrungen - Flachbohrtechnik 21

23 Die Evolution der Tiefbohrtechnik 22