ElektroImpulsVerfahren

Förderprogramm des BMU zu Forschung und Entwicklung im Bereich
Geothermie
Studie für ein Vortriebssystem zur Herstellung von tiefen
Geothermiebohrungen im Festgestein mittels Elektro-Impuls-Verfahren
FKZ: 0327664
Projektpartner:
Technische Universität Dresden –
Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik
Institut für Elektrische Energieversorgung und
Hochspannungstechnik
Technische Universität Bergakademie Freiberg –
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Universität Karlsruhe –
Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik
Herrenknecht AG
Geothermal Engineering GmbH
Zuwendungssumme:
190.443 EUR
Laufzeit:
15.05.2007 – 31.01.2009
1 Projektbeschreibung
Das Elektroimpulsverfahren (EIV) ist aufgrund seiner nahezu verschleißfreien und
energetisch optimalen Arbeitsweise eine innovative Alternative zur konventionellen,
mechanischen Bohrtechnik.
An der Technischen Universität Dresden wurden in vorangegangenen
Untersuchungen die Funktionsweise und die prozessbestimmenden Parameter des
EIV analysiert ([And06], [And07], [DBU06]).
Im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie (FKZ: 0327664) soll nun die
Umsetzbarkeit des Elektroimpulsverfahrens für die tiefe Geothermie nachgewiesen
werden. Dazu werden die folgenden Problemstellungen durch die entsprechenden
Kooperationspartner bearbeitet:
Teilaufgabe:
Geologische
Anforderungen
Anwendungspotenzial in Deutschland
Bearbeiter:
und Geothermal
Engineering
GmbH
(GeoT)
Universität Karlsruhe (UK)
Prozesstechnische Umsetzbarkeit unter Technische
Universität
Dresden
bohrlochähnlichen
Bedingungen
und (TUD)
technische Umsetzbarkeit der benötigten
gerätetechnischen Komponenten
Entwicklung eines Maschinenkonzeptes
Herrenknecht AG (HK)
Entwicklung einer geeigneten Bohrspülung
Technische Universität Bergakademie
Freiberg (TUBAF)
2 Geologische Anforderungen und Anwendungspotenzial in Deutschland
Für die Erzeugung von Strom aus Erdwärme werden hohe Gesteinstemperaturen
(> 130 °C) benötigt. Dieses Temperaturniveau wird nur im tiefen Grundgebirge (tiefer
3000 m) erreicht, welches über Bohrungen erschlossen wird. Besonders geeignete
Gebiete für die Nutzung der tiefen Geothermie sind in Deutschland:
- die Norddeutsche Senke
- der Oberrheingraben
- die Bayrische Molasse.
Die Lithostratigrafie zeigt, dass in den angegebenen Regionen das feste Gestein von
Lockersedimenten überdeckt ist. Diese Schichten sind aus prozesstechnischen
Gründen für den Einsatz des EIV nicht geeignet. Zudem arbeiten konventionelle
Werkzeuge, auf Grund ihres technischen Entwicklungsstandes, in diesen
Formationen sehr wirtschaftlich.
Das Haupteinsatzgebiet des EIV-Bohrsystems liegt in den Hartgesteinsschichten
unterhalb der Lockersedimente. In Tab. 1 wird ein Überblick über die zu erwartenden
Gesteine und deren lithologischen Eigenschaften gegeben.
2
Gestein
Einaxiale
Druckfestig
keit (MPa)
100-250
150-300
100-350
150-300
100-300
50-200
100-250
Zugfestigk
eit (MPa)
Scherfestig
keit (MPa)
Dichte
(t/m³)
Granit
7-25
14-50
2.6-2.9
Diorit
15-30
NA
NA
Diabas
15-35
25-60
2.7-3.05
Gabbro
15-30
NA
2.8-3.1
Basalt
10-30
20-60
2.8-2.9
Gneis
5-20
NA
2.8-3.0
Marmor
7-20
NA
2.6-2.7
Glimmer100-200
7-20
15-30
2.6-2.7
schiefer
Quarzit
150-300
10-30
20-60
2.6-2.7
Sandstein
20-170
4-25
8-40
2.0-2.6
Tonschiefer
5-100
2-10
3-30
2.0-2.4
Kalkstein
30-250
5-25
10-50
2.2-2.6
Dolomit
30-250
15-25
NA
2.5-2.6
Tab. 1 Lithologische Eigenschaften der zu erwartenden Gesteinsarten
Porosität %
0.5-1.5
NA
0.1-0.5
0.1-0.2
0.1-1.0
0.5-1.5
0.5-2
0.1-0.5
0.1-0.5
5-25
10-30
5-20
1-5
Die Tabelle zeigt die große Bandbreite der Druckfestigkeit der unterschiedlichen
Gesteine, welche beim mechanischen Bohren überwunden werden muss.
Das Löseprinzip des EIV, mittels elektrischer Entladungen, beruht hingegen auf der
Überwindung der Zugfestigkeit. Sowohl deren Betrag (ca. 10% der Druckfestigkeit)
als auch deren Streuung ist deutlich kleiner. Daher ist zum einen zu erwarten, dass
das EIV nahezu unabhängig von der Gesteinsart einen gleichmäßigen Bohrfortschritt
erzielt. Zum anderen ist die benötigte Löseenergie deutlich kleiner, als beim
konventionellen Bohren. Bei den Versuchen im Rahmen dieser Studie wurde eine
spezifische Löseenergie von 196 J/cm³ erreicht. Beim herkömmlichen Rotarybohren
beträgt diese 700 – 900 J/cm³ [Uss95].
Weiterer Forschungsbedarf besteht allerdings bei selten auftretenden geologischen
Störungen, wie z. B. gefüllte bzw. ungefüllte Klüfte, Lithologiewechsel oder auch
unter Wasserzufuhr quellende bzw. erweichende Gesteine.
Die Untersuchung des geologischen Aufbaus der einzelnen tiefengeothermischen
Reservoire zeigt, dass das EIV in ganz Deutschland einsetzbar ist.
3
Prozesstechnische Umsetzbarkeit unter bohrlochähnlichen Bedingungen
Versuchsaufbau
Ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung der Umsetzbarkeit des EIV für
tiefengeothermische Bohrungen, ist die zuverlässige Realisierung des
Löseprozesses unter hohen Drücken und hohen Temperaturen. Aus Literaturquellen
geht hervor, dass im Rahmen von Laboruntersuchungen unter diesen Bedingungen
die Funktion des EIV erfolgreich nachgewiesen wurde. Es sind jedoch keine
detaillierten Versuchsergebnisse bekannt [Uss95].
Zur experimentellen Untersuchung des Einflusses der Umgebungsbedingungen
wurde ein Versuchsstand entworfen und umgesetzt. Abb. 1 zeigt den Druckbehälter,
die Stossspannungsquelle und die Ladespannungsanlage. Im verwendeten
3.1
3
Versuchsbehälter können Temperaturen bis 70 °C und Drücke bis 100 bar erzeugt
werden, um bohrlochähnliche Umgebungsbedingungen zu simulieren.
Stossspannungsquelle:
Stufen
9
Stufenkapazität 10 nF
Ladespannung 30 kV
Impulsfrequenz 1 s-1
Stoßenergie
40,5 J
Druckbehälter:
pmax
Tmax
100 bar
70 °C
Ladespannungsanlage
Abb. 1 Versuchsaufbau EIV unter bohrlochähnlichen Bedingungen
Als Stossspannungsquelle wurde ein gasisolierter Marxgenerator mit einer
Ausgangspannung bis zu 270 kV verwendet.
Zum Laden des Marxgenerators wird eine Gleichspannung von 30 kV verwendet.
Diese wird manuell einstellbar von der Ladespannungsanlage zur Verfügung gestellt.
Diese besteht aus einem Transformator, der die 380 V Eingangsspannung auf das
benötigte
Spannungsniveau
transformiert
und
einen
Gleichrichter
mit
Glättungskondensator, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung umformt.
Versuchsdurchführung
Die Versuche wurden in zwei Abschnitten durchgeführt. Im ersten Teil wurden die
Zerstörungsnachweise für Normalbedingungen, 100 bar Umgebungsdruck und 70 °C
Umgebungstemperatur erbracht und der Einfluss der einzelnen Parameter
untersucht. Als Versuchskörper wurden Sandstein und Granit verwendet.
Vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) diente bei diesen Untersuchungen als
Dielektrikum. Weiterhin stand eine ölbasische Spülung zur Verfügung, mit der
ebenfalls ein umfangreiches Versuchsprogramm absolviert wurde. Für jede gewählte
3.2
4
Kombination von Druck und Temperatur wurden 30 Impulse auf das Gestein
aufgebracht.
3.3
Versuchsergebnisse
3.3.1 Ergebnisse der Zerstörungsnachweise
In Abb. 2 bzw. Abb. 3 sind die Ergebnisse der Zerstörungsnachweise für
Normalbedingungen, 100 bar Druck und 70 °C für Sandstein und Granit zu sehen. Es
ist ersichtlich, dass der Druck bei beiden Gesteinen das Ergebnis negativ beeinflusst,
im Granit deutlich stärker als im Sandstein.
Die Temperatur bewirkt im Sandstein ebenfalls eine Verringerung des
Lösevolumens. Hingegen ergab die Messung im Granit eine deutliche Steigerung
des Lösevolumens.
Ausgehend von diesen Ergebnissen, ist vor allem der Verlauf beim Sandstein
kritisch, da sowohl Druck als auch Temperatur negative Auswirkung auf das
Löseergebnis haben.
a
b
c
Abb. 2 Zerstörungsnachweis im Sandstein
a) 20 °C, 0bar; b) 20 °C, 100 bar; c) 70 °C, 0 bar
a
b
c
Abb. 3 Zerstörungsnachweis im Granit
a) 20 °C, 0bar; b) 20 °C, 100 bar; c) 70 °C, 0 bar
3.3.2 Ergebnisse der Versuchsreihen im VE-Wasser
Für alle Parametereinstellungen von Druck und Temperatur wurde eine Löseleistung
gemessen. Die Ergebnisse der Experimente mit Granit im VE-Wasser sind in Abb. 4
dargestellt. Die Kurvenverläufe zeigen, dass ein hoher Druck einen negativen und
eine hohe Temperatur einen positiven Einfluss auf den Granit haben.
5
500,0
Lösevolumen [mm³]
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
20
30
40
50
60
70
Temperatur [°C]
20 bar
60 bar
80 bar
100 bar
Abb. 4 Lösevolumen im Granit in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
Der Grund für den starken Anstieg des Lösevolumens infolge höherer Temperaturen
ist die unterschiedliche Gefügestruktur. Die im Granit induzierten Eigenspannungen
begünstigen den Löseprozess. Die Steigerung des Lösevolumens im Granit durch
Erhöhen der Temperatur ist bei allen Druckstufen zu erkennen (siehe Abb. 4). Zudem
wird durch die thermische Anregung die Ionisierung erleichtert und der Energiebedarf
für den Aufbau des Streamerkanals verringert. Es wird mehr Energie in den
Löseprozess eingebracht. Abb. 5 zeigt die Messergebnisse im Sandstein bei 20 °C in
Abhängigkeit des Druckes.
3000,0
Lösevolumen [mm³]
2500,0
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
0,0
0
20
40
60
80
Druck [bar]
Granit bei 20 °C
Sandstein bei 20 °C
Abb. 5 Lösevolumen in Sandstein und Granit bei 20°C in VE-Wasser
6
100
Es ist deutlich zu erkennen, dass die beiden Gesteine unterschiedlich stark auf die
Einwirkung des Druckes reagieren. Bei Betrachtung der Krater ist zu erkennen, dass
mit steigendem Druck nur noch Material unmittelbar zwischen den Elektroden gelöst
wird und die Krater flacher werden. Im Sandstein fällt zudem auf, dass die
Porenbildung ausbleibt (siehe Abb. 6).
Sandstein: 0 bar;
Sandstein: 100 bar;
Abb. 6 Einfluss des Druckes auf das Lösevolumen
Im Granit ist ab 20 bar ein starker Einbruch des Lösevolumens zu erkennen. Bei
einer weiteren Drucksteigerung bleibt das Lösevolumen nahezu konstant. Dieser
Verlauf wurde bei allen Temperaturen gemessen. Der Sandstein reagiert weniger
empfindlich auf die Erhöhung des Druckes. Die Abnahme des gelösten Volumens ist
geringer als bei Granit.
Der Verlauf ist mit dem Eindringen des Wassers unter Druck in das Gestein zu
erklären. Die bei Normaldruck vorhandenen Poren sind der Ausgangspunkt für den
Durchschlagskanal. Durch den Umgebungsdruck wird Wasser in sie hinein gepresst
und die Poren somit verschlossen. Die kritische Anzahl zum Auslösen eine Streamer
liegt bei 109 freien Ladungsträgern. Entscheidend für den Verlauf des Kanals ist es,
wo diese Menge bereitgestellt wird. Wasser ist schwerer zu ionisieren als Gas. Das
heißt, der Ionisierungsprozess wird bevorzugt an den Orten der größten Feldstärke,
zwischen den Elektroden, stattfinden und nicht wie beim Vorhandensein von
luftgefüllten Poren auch an Stellen geringerer Feldstärke.
Das, im Vergleich zum Granit, größere Lösevolumen im Sandstein ist mit seiner
geringeren Zugfestigkeit zu erklären.
Bei Erhöhung der Durchschlagenergie wird es ermöglicht, die Löseleistung in beiden
Gesteinen deutlich zu steigern und auch die Überschnitte herzustellen, welche
benötigt werden, um das Bohrsystem in das Gestein eindringen zu lassen.
3.3.3 Ergebnisse der Versuchsreihen in der Bohrspülung
Abb. 7 zeigt die graphische Darstellung der Versuchsergebnisse in Granit, bei
Einsatz der ölbasischen Bohrspülung. Die Kurven weisen, bei Veränderung von
Druck und Temperatur einen ähnlichen Verlauf auf, wie bei Einsatz von VE-Wasser.
Es ist zu erkennen, dass der Druck einen negativen und die Temperatur einen
positiven Einfluss hat.
Allerdings ist die relative Abminderung durch die Erhöhung des Druckes hier deutlich
geringer. Das Lösevolumen bei einem Druck von 100 bar und einer Temperatur von
20 °C ist in der Bohrspülung rund 6,5 mal größer. Dieser Effekt tritt auf, weil die
Bohrspülung im Vergleich zu Wasser nicht so tief in das Gestein eindringen kann und
7
durch ihre besseren Isoliereigenschaften auch die ausreichende Ionisierung tiefer
liegender Gesteinsschichten zulässt.
4000,0
Lösevolumen [mm³]
3500,0
3000,0
2500,0
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
0,0
20
30
40
50
60
70
Temperatur [°C]
0 bar
20 bar
60 bar
80 bar
100 bar
Abb. 7 Lösevolumen von Granit in Abhängigkeit von Druck und Temperatur in
Bohrspülung
4 Maschinenkonzept
Für das Maschinenkonzept gibt es zwei prinzipielle Entwicklungsrichtungen. Zum
einen können Teile des EIV-Bohrsystems übertage auf der Bohrplattform angeordnet
sein. Zum anderen ist es denkbar, alle Komponenten im Bohrloch zu plazieren. Unter
diesem Gesichtspunkt wurden verschiedene Gestaltungsvarianten entworfen und
hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile bewertet.
Die für die Bohrtechnik einfachste, aber technisch deutlich schwierigere, Lösung
ergibt sich aus der zweiten Entwicklungsrichtung. Abb. 8 zeigt den entsprechenden
Aufbau des EIV-Bohrsystems.
Die Unabhängigkeit von übertägigen elektrischen Energieversorgern ist der
Hauptvorteil dieser autarken Variante. Das EIV-System kann ähnlich einem
herkömmlichen Bohrwerkzeug gewechselt werden, ohne dass es Umbauten an der
Bohranlage oder zusätzliches Equipment auf der Arbeitsbühne bedarf. Zudem macht
diese Unabhängigkeit das EIV-Bohrsystem flexibel einsetzbar, da es nicht an einen
speziellen Anlagentyp angepasst ist.
8
Bohrstrang
Bohrmotor
elektrischer Generator
Mittelspannungssegment mit Messsystem
Hochspannungssegment mit Marxgenerator, Elektroden
und Steuerkopf
Abb. 8 Entwurf für ein EIV-Bohrsystem
Die Energieversorgung erfolgt über einen spülungsgetriebenen Motor, der einen
elektrischen Generator antreibt. Dieses Prinzip findet bereits in der Bohrtechnik
Anwendung, allerdings nur in einem Leistungsbereich bis 200 W [Dex08]. In
Abhängigkeit der Impulswiederholrate und der erzeugten Impulsenergie, beträgt der
Leistungsbedarf des EIV - Bohrsystems 3 – 6 kW.
Die Ausgangsspannung des Generators wird im Mittelspannungssegment in eine
hohe Gleichspannung umgeformt, mit welcher der Marxgenerator im
Hochspannungssegment geladen wird. Dieser erzeugt die benötigten
Stoßspannungsimpulse und gibt sie an die Elektroden weiter.
Die Elektroden werden so gestaltet, dass die gesamte Bohrlochsohle ohne Rotation
des Bohrstranges bearbeitet wird. Der elektrische Durchschlag erfolgt immer am Ort
der geringsten elektrischen Festigkeit. Wenn eine Entladung an der Bohrlochsohle
stattgefunden hat, füllt sich der resultierende Krater mit der Spülungssuspension. Da
diese eine höhere Durchschlagfestigkeit als das Gestein hat, erfolgt in diesem
Bereich kein weiterer Durchschlag.
In den bisherigen Laborversuchen wurde festgestellt, dass die Entladungsstrecke
nicht immer dem kürzesten Weg zwischen den Elektroden entspricht. Weiterhin
konnte nachgewiesen werden, dass auch im Bereich außerhalb der
Elektrodenauflagefläche Gestein gelöst wurde. Somit ist sichergestellt, dass der
nötige Überschnitt über die Erdelektrode hinaus für den Vortrieb erzeugt wird.
9
5 Technische Verfahrensgrenzen
Zur Betrachtung der technischen Verfahrengrenzen werden die zu erwartenden
Umgebungsbedingungen im Bohrloch, unter denen das EIV-Bohrsystem
funktionieren muss, definiert:
Bohrdurchmesser: 12 ¼ Zoll (311 mm)
Umgebungsdruck: 1000 bar
Temperatur:
200 °C.
Das Gehäuse des EIV-Bohrsystems muss so gestaltet sein, dass ein genügend
großer Ringraum entsteht, in dem die Bohrspülung aufsteigen kann. Da die
Konstruktion des Marxgenerators keine zentrische Anordnung der Spülungszufuhr
zur Bohrlochsohle zulässt, muss auch dieser Spülungsfluss außen um das Gehäuse
geführt werden.
Daher steht die Ertüchtigung der elektrischen bzw. elektronischen Komponenten für
die Temperaturen von 200°C und die Anpassung an den begrenzten Bauraum im
Mittelpunkt weiterführender Forschung und Entwicklung.
Erzeugung der Stoßspannungsimpulse
Im Bohrloch müssen, auch unter den genannten extremen Bedingungen, folgende
Prozessparameter erfüllt werden, damit die Funktion des EIV gegeben ist:
5.1
-
transienter Spannungsanstieg im Bereich < 120 ns
Stoßspannung bis 400 kV
Stoßenergie >100 J
Impulswiederholrate 20 – 25 Hz.
Der Aufbau einer bei Temperaturen von 200°C einsetzbaren Marxschaltung ist
prinzipiell
möglich.
Auf
dem
Markt
sind
spezielle
Kondensatoren
(Glimmerkondensatoren), Widerstände und elektrische Leitungen erhältlich, die bei
den genannten hohen Temperaturen funktionieren. Weiterführende praktische Tests
müssen zeigen, wie die Marxschaltung von hohen Temperaturen beeinflusst wird.
Diese Experimente werden wichtige Erkenntnisse für die Beurteilung der
Standfestigkeit und der Leistungsparameter liefern.
Erzeugung der Ladespannung
Die Stossspannungsquelle (Marxgenerator) wird mit einer Gleichspannung von
mehreren 10 kV geladen. Diese Ladespannung wird im Mittelspannungssegment,
bestehend aus Transformator und Gleichrichter, aus der Ausgangsspannung des
elektrischen Generators erzeugt.
Als elektrischer Generator wird eine permanent erregte Synchronmaschine
eingesetzt. Dieser Maschinentyp hat folgende Vorteile:
- einfacher Aufbau
- kein Erregerstrom notwendig
- Erfahrungen im Hochtemperaturbereich bei Herstellern vorhanden.
5.2
Für die Anwendung im Bohrloch müssen hochtemperaturbeständige Dauermagnete
und Isolierwerkstoffe (Drähte der Statorwicklung) verwendet werden. Bei der
Wicklung ist die elektrische Isolierung das Hauptproblem. Konventionelle
10
Kunststoffisolierungen sind bei hohen Temperaturen mechanisch instabil
(Fließneigung) und können deshalb nicht eingesetzt werden. Eine Alternative dazu
sind handelsübliche Kupferlackdrähte mit einer Wärmebeständigkeit bis 250 °C bzw.
keramikisolierte Kupferdrähte (bis 500 °C).
Die beschriebenen Drahtisolierungen werden auch beim elektrischen Transformator
verwendet). Dort müssen die Oberspannungs- und die Unterspannungswicklung
gegeneinander und gegen das Erdpotential isoliert werden. Mit dem Transformator
wird die Ausgangspannung des elektrischen Generators auf das entsprechende
Ladespannungsniveau erhöht.
Die vom Transformator erzeugte hohe Wechselspannung ist nicht zum Laden der
Stosskondensatoren geeignet. Sie muss in eine Gleichspannung umgeformt werden.
Unter
Normalbedingungen
werden
zum
Gleichrichten
leistungsfähige
Halbleiterbauelemente verwendet. Diese Gleichrichterdioden verlieren allerdings mit
steigender Temperatur ihre Sperrwirkung und werden in beide Stromrichtungen
elektrisch leitend. Hochtemperaturgleichrichter aus Siliziumcarbid sind zwar bereits
auf dem Markt erhältlich, aber noch nicht für den angestrebten Leistungsbereich
ertüchtigt.
Alternativ zu den Halbleitern kann ein mechanischer Gleichrichter eingesetzt werden
(Abb. 9). Mechanische Gleichrichter sind in vielen elektrischen Maschinen zu finden,
wo sie als Kommutator oder Stromwender eingesetzt werden. Diese Bauelemente
müssen für den angestrebten Leistungsbereich von 3-6 kW bei gleichzeitig hoher
thermischer Belastung entwickelt und erprobt werden.
α = 60°
U
α = 25°
U
n=
60f
2
U
Abb. 9 links: Mechanischer Gleichrichter [Neu08]; rechts: Elektromotor mit
Kommutator [Kom08]
Erzeugung der mechanischen Leistung
Zur Erzeugung der mechanischen Leistung wird ein spülungsgetriebener Bohrmotor
verwendet. Derzeit werden auf dem Markt Bohrturbinen oder der Verdrängermotoren
(Moineaumotor, siehe Abb. 10) angeboten, welche Ausgangsleistungen von
mehreren 100 kW haben.
Die Vorteile des Moineaumotor sind die gute Steuerbarkeit und der einfache Aufbau.
Durch das Verdrängerprinzip ist es möglich, sowohl Drehzahl als auch Drehmoment
des Motors über den Spülungsstrom zu steuern (Gl. 2; Gl. 3). Diese Vorteile haben
dazu geführt, dass sich der Moineaumotor gegenüber der Turbine durchgesetzt hat.
Die obere Drehzahlgrenze von Bohrmotoren liegt zurzeit bei etwa 1000 min-1. Zum
Erreichen hoher Spannungsfrequenzen am Ausgang des Generators muss die
Drehzahl deutlich gesteigert werden. Ein Mittel dazu sind Bohrgetriebe, wie sie meist
bei Bohrturbinen Verwendung finden, um die Meißeldrehzahl zu reduzieren. Mit der
5.3
11
Steigerung der Drehzahl wird es möglich, den elektrischen Generator und den
Transformator kleiner auszuführen und somit besser an den kleinen Bauraum
anzupassen. Sowohl Bohrmotoren als auch Getriebe sind für Temperaturen bis über
200 °C auf dem Markt erhältlich [BH07] .
M M = c ⋅ Qth ⋅ η mech ⋅ Δp
Q
nM =
⋅η vol
Qth
MM
Motormoment
nM
Motordrehzahl
c
Konstante
Q
Spülungsstrom
Qth
Schluckvolumen des Motors
ηmech mechanischer Wirkungsgrad
ηvol
volumetrischer Wirkungsgrad
Δp
Druckdifferenz über dem Motor
(Gl. 1)
(Gl. 2)
Abb. 10 Moineaumotor
6 Spülungsentwicklung
Die Spülung muss beim herkömmlichen Bohren verschiedene Aufgaben erfüllen.
Diese sind:
- Transport des Bohrkleins aus dem Bohrloch
- Stützung der Bohrlochwand gegen nachrutschen von Material
- Verhindern des Eindringens fremder Fluide in das Bohrloch.
Beim EIV muss die Spülung zusätzlich die Funktion des dielektrischen Mediums
übernehmen. Der Leitwert des Dielektrikums hat maßgeblichen Einfluss auf den
Löseprozess des EIV. Aus Laborversuchen ist bekannt, dass der Leitwert durch das
Lösen von Gestein signifikant verändert wird. Bei diesen Versuchen wurden
Sandstein, Kalkstein, Basalt und Granit bearbeitet und der Leitwert vor und nach den
Experimenten überprüft. Dabei konnte kein Anstieg der Leitfähigkeit des
Dielektrikums festgestellt werden.
Bisher spielte der Leitwert der Spülungssuspension in der Bohrtechnik nur eine
untergeordnete Rolle. Die Bohrspülung wird allgemein nach den geologischen
Anforderungen im Bohrloch ausgelegt.
Während einer Bohrung wird deswegen die Spülung auch permanent kontrolliert und
an die wechselnden Geologien angepasst. Bei der Erschließung von Erdöl/Erdgaslagerstätten oder Heißwasseraquiferen werden sogar spezielle Drill-In-Fluids
verwendet, um die Lagerstätten nicht zu verunreinigen.
Eine Herausforderung bei der Auswahl der Spülung ist die angestrebte
Bohrlochtemperatur von 200 °C. Für diese Bedingungen gibt es spezielle, meist
ölbasische, Hochtemperaturspülungen. Experimente des EIV mit Transformatorenöl
und Dieselöl als Spülung belegen die Eignung dieser Stoffe als dielektrische Medien.
Der Einsatz dieser beiden Stoffe ist jedoch aus ökologischen Gesichtspunkten
unbedingt zu unterlassen. Neuentwicklungen auf dem Spülungsmarkt haben jedoch
auch umweltverträgliche, biologisch abbaubare Ölspülungen hervorgebracht.
12
Voruntersuchungen im Rahmen der vorliegenden Studie zielten darauf ab, Additive
zu öl- bzw. wasserbasierten Spülungen zu finden, welche für den Einsatz bei
Bohrungen geeignet sind. Die resultierenden Möglichkeiten sind zwar limitiert,
allerdings ist es durchaus möglich, ein an das EIV angepasstes Spülmedium zu
entwickeln. Dies muss in genauer Kenntnis der zu durchteufenden Geologie
geschehen.
7
Betrachtung des Einsparpotentials des EIV-Bohrsystems
Geologische Anforderungen an das Bohrsystem
Die Geologien, bei denen das EIV-Bohrsystem wesentliche Vorteile gegenüber der
konventionellen Bohrtechnik erzielen, sind die Hartgesteinsschichten unterhalb
lockerer Deckschichten. Dabei stehen vor allem die schwer bohrbaren und starken
Verschleiß verursachenden kristallinen Gesteine, wie Buntsandstein oder Granit, im
Vordergrund.
7.1
Mechanische Verfahren zum Bohren in Hartgestein
Das Rotarybohren ist das heute gängige Verfahren zum Abteufen tiefer Bohrungen.
Dabei wird ein mit Schneidelementen besetzter Bohrmeißel auf die Bohrlochsohle
gepresst und in Rotation versetzt. Die Schneidelemente dringen in das Gestein ein
und lösen es aus dem festen Verbund. Das gelöste Material wird über eine
Bohrspülung ausgetragen.
Die Rotation wird übertage von einem Drehantrieb erzeugt und über den Bohrstrang
an den Bohrmeißel weiter gegeben. Der Bohrstrang besteht aus miteinander
verschraubten Rohren, durch die der Transport der Bohrspülung erfolgt. Diese tritt
über Düsen am Bohrmeißel aus, nimmt das gelöste Gestein (Bohrklein, Cuttings) auf
und steigt im Ringraum, zwischen Bohrstrang und Bohrlochwand wieder nach oben
(Normalspülverfahren). Bei der Umkehrspülung strömt die Spülung im Ringraum
nach unten und steigt im Bohrstrang wieder auf. Am unteren Ende des Bohrstranges
werden dickwandige Schwerstangen eingebaut, die durch ihr Eigengewicht die
Meißelauflast aufbringen.
Als Ergänzung zum übertägigen Drehantrieb werden Bohrlochsohlenmotoren
verwendet. Moineaumotoren (Verdrängerprinzip) werden gegenüber Bohrturbinen
bevorzugt eingesetzt. Anwendung finden diese Bohrmotoren vor allem beim
gerichteten Bohren, da sie im Bezug auf Richtungskontrolle und Steuerung sehr viele
Vorteile bieten. Daher sind sie auch für das Abteufen geothermischer Bohrungen
besonders wichtig.
Als Bohrwerkzeug stehen verschiedene Meißelarten zur Verfügung:
- Rollenmeißel
- diamantbesetzte/imprägnierte Meißel, PDC-Meißel
- Schlagbohrköpfe für hydraulische/pneumatische Bohrhämmer.
Diamantbesetzte bzw. –imprägnierte Meißel und PDC-Meißel lösen das Gestein
spanend bzw. schleifend. Für die Gesteine, welche bei Geothermalbohrungen
durchteuft werden müssen (z. B. Granit) sind sie nicht geeignet. Bohrhämmer
erzielen zwar auch in harten Gesteinen hohe Bohrfortschritte, sind aber aufgrund
ihrer Arbeitsweise für tiefe Bohrungen ungeeignet. Ihr Einsatzbereich ist derzeit auf
die Flachbohrtechnik beschränkt.
7.2
13
7.2.1 Rollenmeißel
Die Bezeichnung ist von den konischen Wälzkörpern abgeleitet, welche die
Schneidelemente tragen. Diese sind aus den Rollen herausgefräste Zähne oder
sogenannte Inserts (eingelassene Hartmetallstifte).
Der Meißel wird in Rotation versetzt und zusätzlich durch die Schwerstangen des
Bohrstranges auf die Bohrlochsohle gepresst. Durch die Rotation rollen die
konischen Meißelrollen auf der Bohrlochsohle ab. Dabei treffen die Schneidelemente
schlagend auf das Gestein auf und überwinden dessen Eindringwiderstand. In der
Kontaktzone zwischen den Schneidelementen und Bohrlochsohle wird das Gestein
pulverisiert. Am Rand des entstehenden Kraters bilden sich Seitenrisse, die zum
Ausbrechen größerer Gesteinsbrocken führen. Wesentlich für diese Art der
Gesteinslösung ist die Überwindung der Druckfestigkeit des Gesteins.
Die Art der eingesetzten Schneidelemente wird durch die Geologie bestimmt.
Grundsätzlich gilt, dass bei weichem Gestein lange, spitze Zähne oder Inserts zum
Einsatz kommen, bei hartem Gestein hingegen flache und stumpfe Schneidelemente.
7.2.2 Leistungsfähigkeit von Rollenmeißeln
Bei hartem, kristallinem Gestein ist von einem Bohrfortschritt zwischen 1 – 3 m/h
auszugehen. Entsprechende Erfahrungswerte sind in Tab. 2 dargestellt.
Meißelart:
Durchmesser Bohrgeschwindigkeit
Warzenmeißel 8 ½ Zoll
3 m/h
Warzenmeißel 8 ½ Zoll
2 m/h
Warzenmeißel 12 ¼ Zoll
1,1 m/h
Tab. 2 Bohrgeschwindigkeiten von Rollenmeißeln
Geologie
Granit [INT04]
Granit [INT04]
vorwiegend Gneis [KTB91]
Durch die mechanische Wechselwirkung mit dem Gestein sind die Meißel einem
starken Verschleiß ausgesetzt. Dieser Verschleiß betrifft die Schneidelemente, die
Rollenlager und den Meißelkörper selbst (siehe Abb. 11). Die Lebensdauer beträgt
ca. 30 – 100 h. Rechnerisch ergibt sich aus der Kombination dieser Kennwerte eine
mögliche Bohrstrecke zwischen 30 – 300 m. Bei tiefen Geothermiebohrungen sind
durch die höheren thermischen Belastungen des Meißels noch kürzere Standzeiten
zu erwarten.
Die Abnutzung des Meißels führt zu einer Verringerung des Bohrfortschrittes. Zum
Austausch des Meißels muss dann der komplette Bohrstrang aus- und wieder
eingebaut werden. Wie Abb. 11 zeigt, kann der Verschleiß des Meißels auch zum
Verlust ganzer Meißelrollen führen. Diese Elemente müssen zu erst mit
zeitaufwändigen Fangmaßnahmen geborgen werden, bevor weitergebohrt werden
kann.
14
Abb. 11 verschlissene Bohrmeißel
Leistungsfähigkeit des Elektroimpulsverfahrens (EIV)
Das EIV arbeitet mit der zerstörenden Wirkung elektrischer Streamerentladungen im
Gestein. Die Prozessparameter sind so gewählt, dass die elektrischen Durchschläge
durch das Gestein erfolgen. Das Material im Streamerkanal wird verdampft und
dehnt sich schlagartig aus. Der entstehende Druck bewirkt das Absprengen des
Materials um den Streamerkanal. Die Zugfestigkeit (bei Naturstein ca. 10 % der
Druckfestigkeit) ist demnach für den Löseprozess entscheidend. Äußere
mechanische Druckkräfte werden nicht benötigt, da die Elektroden nur lose auf das
Gestein aufgelegt werden. Durch den geringeren Lösewiderstand und das Fehlen
mechanischer Kräfte hat das EIV mit 100 J/cm³ - 200 J/cm³ einen deutlich
niedrigeren spezifischen Löseenergiebedarf als das Rotarybohren mit 700 –
900 J/cm³. Der Bohrfortschritt des Elektroimpulsverfahrens unter Normalbedingungen
wurde mit 10 – 12 m/h gemessen [Uss95]. Andere Forschungsstellen haben
ebenfalls Bohrgeschwindigkeiten in diesen Größenordnungen nachgewiesen
[Mac02].
Die Experimente zur Untersuchung des Einflusses von bohrlochähnlichen
Bedingungen zeigen, dass sich der Druck im Bohrloch negativ auf den Löseprozess
auswirkt. Die ermittelten Löseleistungen geben einen Bohrfortschritt des EIVBohrsystems von mindestens 4 m/h zu erkennen. Diese ist im Mittel doppelt so hoch
wie beim Bohren mit Rollenmeißeln.
Durch das elektrische Löseprinzip kann das EIV als nahezu verschleißfrei betrachtet
werden. Die Standzeit des EIV-Bohrsystems ist dementsprechend hoch. Nach
derzeitigem Kenntnisstand bilden die Axiallager des Moineaumotors und die
Kondensatoren des Marxgenerators begrenzende Faktoren der Lebensdauer. Sie
wird mit rund 500 h abgeschätzt, was eine rechnerische Standlänge von 2000 m
ergibt [And07].
7.3
Wirtschaftliche Betrachtung beider Verfahrenstechnologien
Das Kriterium, welches Bohrverfahren zur Anwendung kommt, ist der erzielbare
Bohrmeterpreis. Diese Größe entspricht dem Quotienten aus der Summe aller
Kosten, die während des Bohrprozesses entstehen, und der abgeteuften Strecke
(Abb. 12).
7.4
15
KB =
K R ⋅ (t R + t B ) + K W
BB
ROP =
BB
tB
KR
Anlagenkosten+Servicekosten €/h
tB
Bohrzeit (brutto)
h
tR
Trip-Zeit/Meißel
h
KW
ROP
BB
Meißelkosten
Bohrfortschritt
Bohrstrecke/Meißel
Bohrstrecke gesamt
Anzahl Meißel
Kosten/Meter
€
m/h
m
m
Stück
€/m
KB
Abb. 12 Berechnung des Bohrmeterpreises
Zur Abschätzung des Einsparpotenzials des EIV-Bohrsystems gegenüber der
konventionellen Bohrtechnologie wurden Berechnungen auf der Grundlage
praktischer Erfahrungswerte durchgeführt (Tab. 3). Die komplexe Kostenstruktur von
Bohrvorhaben, erfordert dabei eine sehr detaillierte Betrachtungsweise.
Werkzeug
Fase5
Praxiswerte
Quelle
Fall
Gesteinsart
Startteufe
Endteufe
Distanz
2624 m
2750 m
126 m
Tripgeschwindigkeit
Äquivalent
2 m/min
8,3 h/km
Zahnmeißel
8 1/2 Zoll
Werkzeugtyp
Größe
Standzeit
Toleranz
ROP [m/h]
Zeitvariabel
108 h
5,00%
2,00 m/h
Werkzeugkosten
Bit Cost
Changing Rate
8.000 €
100,0%
Menge
Mengenvariabel
Preis [€/EA]
1
2000,00
0
0,00
10
2000,00
50 m³
251,36
60,00
Zusatzmaschinen [Stck.]
Auf/Abbau, Vorbereitung
Transport
Tankvolumen
Spülungsmaterial
9,23
242,13
45,00
84,00
288,00
0,00
elektrische Energie
Spülpumpen
Werkzeugantrie
288,00
288,00
1700,00
300,00
20400
3600
288,00
288,00
288,00
288,00
288,00
288,00
0,00
680,00
1500,00
1050,00
1100,00
0,00
0
8160
18000
12600
13200
0
288,00
300,00
Nebenleistungen
Spülungsservice
Gesamt [€] geol. Service
Feststoffkontrolle
engineering, supervi
2000
directional drilling
0
20000
Mietsachen
Summe
15081,6
415
20339
Preis [€/d]
Bohrplatz
Zusatzkosten
Entsorgung
fest
fluid
Einsatzzeit
logging
testing
Diverse
Menge
1
0
0
0
3600
79560
Preis
41000,00
0,00
0,00
41000
0
0
41000
Summe
Service
Rohre [Länge x Preis/Meter]
Verrohrungszubehör
Zementation
Verflanschung
Summe
1
180
1
5000,00
100,00
20000,00
0
0
0,00
0,00
5000
18000
20000
0
0
100836
Risiko
Sonstige Zeiten
Räumen
Logging
Test
Diverse
Verrohren
Summe
Tab. 3 Kostenaufstellung einer ausgeführten Bohrung
16
15%
8,00
24,00
0,00
4,52
72,00
108,52
h
h
h
h
h
h
Im Vorfeld des Vergleiches werden mögliche Einsparungen und Verteuerungen an
den einzelnen Kostenpunkten abgeschätzt, welche sich aus dem Einsatz des EIVBohrsystems ergeben. In Tab. 4 werden diese Punkte zusammengefasst dargestellt.
Teuerungen
- höhere Spülungskosten durch den
Einsatz von Polymeren
- höhere Bohrwerkzeugkosten
Einsparungen
geringere
Nachbearbeitung
des
Bohrloches
durch konstantes Kaliber
- geringerer Energieeinsatz
- geringerer Verschleiß am Bohrstrang
Tab. 4 Zu erwartende Einsparungen und Teuerung beim Einsatz des EIVBohrsystems
Ergebnis und Bewertung
Das Ergebnis der Vergleichsrechnung ist in Abb. 13 dargestellt. Es zeigt sich eine
deutliche Reduktion der Bohrkosten beim EIV-Bohrsystem gegenüber dem
Rotarybohren ergeben. Der Bohrmeterpreis wurde im betrachteten Fall um 28 %
gesenkt. Grund dafür sind vor allem die Zeitersparnisse beim Bohren und die
Reduktion der Roundtripzeiten. Bei Tiefenbohren haben die zeitvariablen Kosten, wie
Bohranlagenmiete oder Bohrservice, einen Anteil von mehr als 50 % an den
Gesamtkosten. Die Zeitersparnis beläuft sich unter den genannten Bedingungen auf
806 h bzw. 33,5 Tagen. Allein bei den Roundtrips wurden 306 h eingespart. Wenn
nur die Standkosten der Bohranlage (700 €/h) betrachtet werden, bedeutet der
Wegfall der Roundtrips bereits eine Einsparung von 214.200,- €.
Die konventionelle Bohrtechnik zum Abteufen tiefer Geothermiebohrungen im harten
kristallinen Grundgebirge ist durch enormen Verschleiß und geringen Bohrfortschritt
gekennzeichnet. Ursache dafür ist die prozessbedingte mechanische
Wechselwirkung zwischen Gestein und Bohrmeißel. Die „Standlänge“ heutiger
Hartgesteinsmeißel liegt bei wenigen hundert Metern. Die aus den erforderlichen
Werkzeugwechseln resultierenden Stillstandzeiten einer Bohranlage erhöhen die
Dauer und die Kosten eines Bohrvorhabens erheblich. Insgesamt belaufen sich die
Bohrkosten auf 70 % der gesamten Aufwendungen für eine Geothermieanlage.
Draus
resultiert
derzeit
die
mangelnde
Wirtschaftlichkeit
bei
den
Stromgestehungskosten aus Tiefengeothermie im Vergleich zu anderen
Energieträgern.
Mit dem Einsatz der EIV-Technologie gelingt es, tiefe Bohrungen sehr viel schneller
und wirtschaftlicher auszuführen. Aus der Übertragung untersuchter EIVZerstörungsvorgänge auf die Bedingungen in einem Bohrloch, lassen sich dafür auch
die technischen und wirtschaftlichen Bedingungen abschätzen. Es wird eine
Verdopplung der Bohrgeschwindigkeit und eine völlige Vermeidung des
Werkzeugwechsels festgestellt. Das führt zur Kostenreduzierung beim Bohren um
mindestens 28% und zu einer relativen Leistungssteigerung durch Verkürzung der
Einsatzdauer verfügbarer Bohranlagen.
7.5
17
Kostenübersicht für Bohrstrecke von
Zeit für Roundtrips [h]
Bohrzeit [h]
Sonstige Zeiten
Gesamtzeit [h]
Mengenvariabele Kosten [€]
Zeitvariable Kosten [€]
Zusatzkosten [€]
Standkosten Rig [€]
Werkzeugkosten [€]
Gesamtkosten [€]
Bohrmeterkosten [€/m]
EIV - Bohrservice
11,90
500,00
579,68
1091,58
165720,00
1183911,00
41000,00
764109,33
12000,00
2166740,33
1083,37
3000
m-
5000
Rotarybohren
Differenz
-306,29
-500,00
0,00
-806,29
70120,00
-162779,93
0,00
-564400,00
-192000,00
318,19
1000,00
579,68
1897,87
95600,00
1346690,93
41000,00
1328509,33
204000,00
3015800,27
1507,90
m
-849059,93
-424,53
1600,00
1400,00
Bohrmeterpreis [€/m]
424,53 €/m
1200,00
1000,00
800,00
600,00
1507,90 €/m
1083,37 €/m
400,00
200,00
0,00
EIV - Bohrservice
Rotarybohren
Abb. 13 Ergebnis der Vergleichsrechnung für Bohrung von 3500 m bis 5000 m
8 Zusammenfassung
Aufgrund der geologischen Beschaffenheit der Geothermieregionen ist das EIV
praktisch in ganz Deutschland einsetzbar. Dabei sind vor allem im harten
Grundgebirge deutliche Vorteile gegenüber den konventionellen Bohrverfahren zu
erkennen.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass es möglich ist, die Zerstörungswirkung mit
EIV zum Bohren von Hartgestein in großen Tiefen zu nutzen. Die
Einsatzbedingungen
für
das
EIV-Bohrsystem
sind
durch
hohe
Umgebungstemperaturen und Umgebungsdrücke gekennzeichnet. Die Versuche
konnten auf Grund der technischen Gegebenheiten nicht unter realen Druck und
Temperaturbedingungen durchgeführt werden. Dennoch kann anhand der erzielten
Ergebnisse die prinzipielle Umsetzbarkeit des EIV aus prozesstechnischer Sicht
nachgewiesen werden.
Es hat sich herausgestellt, dass ein technisches Risiko zur Umsetzung des EIVBohrsystems vor allem aus der Ertüchtigung der elektrischen Bauteile
(Kondensatoren,
Leitungen,
Magnetwerkstoffe,
Isolatoren)
für
hohe
Umgebungstemperaturen besteht. Die Entwicklung der dafür notwendigen
technischen Lösungen ist anspruchsvoll aber nicht unlösbar. Der dafür nötige
18
Forschungs- und Entwicklungsaufwand lässt sich im Ergebnis dieser Studie inhaltlich
und aufwandseitig abschätzen.
Die Erkenntnisse aus der Kalkulation technischer und wirtschaftlicher
Verfahrensmerkmale zeigen, dass mit dem EIV-Bohren die Stromgestehungskosten
aus Tiefengeothermie mit denen aus Wasser- und Windkraft konkurrieren können.
Die Vergleichsrechnung zeigt, dass das EIV große wirtschaftliche Vorteile beim
Abteufen von tiefen Bohrungen hat. Die Einsparungen belaufen sich für den
betrachteten Fall eines 2000 m langen Bohrabschnittes auf rund 28 %.
Inhalt nachfolgender Forschung und Entwicklung muss es sein, aus den verfügbaren
technischen Lösungen komplette Funktionsbaugruppen (z.B. Marxgenerator,
Transformator, Gleichrichter) zu entwickeln und deren Arbeitsweise im Labor und
unter praxisnahen Einsatzbedingungen zu untersuchen sowie hinsichtlich ihrer
Effizienz zu optimieren.
19
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Institut für elektrischen Energieversorgung und Hochspannungstechnik;
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Impulszerstörung von Materialien / B.W. Sjomkin, A. F. Ussow, W. I.
Kurez – Tomsk: Russische Akademie der Wissenschaften, 1995. –
250 S.
20