Prof. Dr.-Ing. Joachim Oppelt

Im Fokus - Schwingungen von Bohrsystemen

Bohrungen bis in einige tausend Metern Tiefe gezielt und sicher mit entsprechend langen Bohrsystemen zu erreichen, ist nach wie vor eine Herausforderung. Im Rahmen des Projekts OBS – Optimierung des Bohrfortschritts für tiefe Geothermiebohrungen am Drilling Simulator Celle der Technischen Universität Clausthal untersuchen und analysieren die Projektpartner erstmals systematisch das Schwingungsverhalten von Bohrstrangkomponenten. Schwingungen können zu Beschädigungen bis hin zum Ausfall der Bohrsysteme führen. Der Bohrfortschritt verlangsamt sich. Die Folgen verursachen hohe Kosten, wie Herr Prof. Dr.-Ing. Joachim Oppelt von der Technischen Universität Clausthal betont.

Herr Professor Oppelt, für die Nutzung der Geothermie sind Bohrungen bis in einige tausend Meter Tiefe notwendig. Wo liegen hier die größten Herausforderungen?

Zu den größten Herausforderungen gehören die im Bohrstrang auftretenden Schwingungsphänomene. Je länger der Bohrstrang ist, desto „weicher“ wird er. Durch diese Erhöhung der Elastizität wächst das Risiko, dass beispielsweise der Bohrmeißel in schneller Folge abwechselnd steckenbleibt, nur um sich kurz darauf mit großer Kraft wieder „loszureißen". Die dabei schlagartig freiwerdende Energie kann die Bohrwerkzeuge schwer beschädigen, besonders wenn dieses als "Stick-Slip" bezeichnete Phänomen unbemerkt bleibt. Eine weitere Herausforderung ist natürlich die mit zunehmender Bohrtiefe immer höhere Gesteinstemperatur, die für die Geothermie als zu erschließende Ressource angesehen wird. Diese kann den hochempfindlichen elektronischen Bauteilen in der Bohrstranggarnitur genauso schaden wie die starken Vibrationen.

Sie entwickeln ein Verfahren, um unerwünschte Schwingungen im unteren Bereich der Bohrung realitätsnah nachstellen zu können. Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihren Untersuchungen?

Um Schwingungsphänomene im Bohrstrang zu vermeiden, ist eine genaue Analyse der Ursachen der Schwingungen notwendig. Der Versuchsaufbau, der für unser Projekt entwickelt wird, soll genau diese exakte Ursachenermittlung ermöglichen.

Welche Prozesse sind für die Schwingungen des Bohrgestänges verantwortlich?

Unerwünschte Schwingungen werden im Wesentlichen durch die Wechselwirkung zwischen dem Bohrmeißel und dem Gestein ausgelöst. Um genauer zu sein, sind es sogenannte Störungszonen, beispielsweise Risse oder Spannungskonzentrationen im Gestein, die das Auftreten von Schwingungen begünstigen.

Wie könnten die Schwingungen vermieden werden?

Sobald die Schwingungsursachen bekannt sind, kann daraus geschlossen werden, wie die Schwingungen vermieden werden können. Im OBS-Projekt am Drilling Simulator Celle der TU Clausthal soll diese Ursachenermittlung durch wiederholbare Experimente mit Bohrgarnituren in Originalgröße im Laborversuch realisiert werden.

Welche Erfahrungen haben Sie in den bisherigen Bohrversuchen gesammelt?

Die Funktionsfähigkeit des neuartigen Full-Scale-Teststands ist erfolgreich für unterschiedliche Gesteinsarten nachgewiesen worden. In ersten Bohrversuchen wurde hierbei ein besonderes Augenmerk auf die Erzeugung von hochfrequenten Torsionsschwingungen, sog. HFTO, gelegt. Die Messwerte aus diesen Versuchen zeigen, dass besagte HFTO-Schwingungen realitätsnah nachgebildet werden können. Die künftige Arbeit konzentriert sich nun darauf, alle relevanten Schwingungsphänomene durch geeignete Aktorik und Ansteuerung zu implementieren, um anschließend damit weitere umfangreiche Versuche zu unternehmen.

Zur Person

Prof. Dr.-Ing. Joachim Oppelt ist Leiter der Fachabteilung Bohr- und Produktionstechnik am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik der Technischen Universität Clausthal. Darüber hinaus ist er Vorstandsvorsitzender des „Deutschen Zentrums für Hochleistungsbohrtechnik und Automatisierung-Drilling Simulator Celle.“

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