Professor Dr.-Ing. Joachim Oppelt

Im Fokus - Schwingungen von Bohrsystemen

Bohrungen bis in einige tausend Meter Tiefe gezielt und sicher mit entsprechend langen Bohrsystemen zu erreichen, ist nach wie vor eine Herausforderung. Im Rahmen des Projekts OBS, kurz für "Optimierung des Bohrfortschritts für tiefe Geothermiebohrungen am Drilling Simulator Celle der Technischen Universität Clausthal" untersuchen und analysieren die Projektpartner erstmals systematisch Bohrstrangkomponenten. Schwingungen können die  Bohrsysteme so stark schädigen, dass diese ausfallen. Der Bohrfortschritt verlangsamt sich. Die Folgen verursachen hohe Kosten, wie Professor Dr.-Ing. Joachim Oppelt von der Technischen Universität Clausthal betont.

Herr Professor Oppelt, für die 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 hohe 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 die mit zunehmender Bohrtiefe immer höhere Gesteinstemperatur. Diese kann den hochempfindlichen elektronischen Bauteilen in der Bohrstranggarnitur genauso schaden wie 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, müssen wir die Ursachen der Schwingungen genau analysiert. Der Versuchsaufbau, der für unser Projekt entwickelt wird, soll genau dies ermöglichen.

Welche Prozesse sind für die Schwingungen des Bohrgestänges verantwortlich?

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

Wie könnten die Schwingungen vermieden werden?

Sobald die Ursachen bekannt sind, kann daraus geschlossen werden, wie die Schwingungen vermieden werden können. Im OBS-Projekt am Drilling Simulator Celle der TU Clausthal sollen durch wiederholbare Experimente mit Bohrgarnituren in Originalgröße die Ursachen ermittelt 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 haben wir ein besonderes Augenmerk auf die Erzeugung von hochfrequenten Torsionsschwingungen, sog. HFTO, gelegt. Die Messwerte aus diesen Versuchen zeigen, dass HFTO-Schwingungen realitätsnah nachgebildet werden können. Die künftige Arbeit konzentriert sich nun darauf, alle relevanten Schwingungsphänomene durch geeignete Aktorik und Ansteuerung zu implementieren. Anschließend werden wir weitere umfangreiche Versuche 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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