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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.
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"
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TU Bergakademie Freiberg | Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau | Tel.: 03731/39-3549 | http://tu-freiberg.de/fakult3/tbt/ Dipl.-Ing. (FH) Franziska Lehmann | 68. Berg- und Hüttenmännischer Tag - 7. bis 9. Juni 2017
Der Gegner
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SANDSTEIN
GRANIT
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Die Avengers
http://www.pngall.com/avengers-png
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EIV-Bohrsystem DEISY
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Deep Drilling with Electric Impulse Drilling System
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EIV-Bohrsystem DEISY
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Elektrode
Hochspannungsgenerator
Gleichrichter Steuerung
Transformator
Generator
Getriebe
Dichtungssystem
Turbine doppelwandiges Gehäuse
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Entladung im Gestein
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Zeit in ns
Granit
Wasser
Dur
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fest
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puls
feld
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V/m
m
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Elektrode
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Hochspannungselektrode
Erdelektrode
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Herausforderung Bauraum
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Bohrloch 12¼ ´´ (311 mm)
Tools 9½ ´´ (241 mm)
Spülung
Inneres Rohr 200 mm (ID)
Halterung
https://tu-dresden.de/ing/elektrotechnik/ieeh#intro
Komponenten 130 mm
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Versuchsstand
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Prototyp
Manipulator
Versuchsbehälter
Spülungstank
Steuer- und Messsystem
Spülungspumpe Probegestein: Würfel aus Granit mit 0,6 m Kantenlänge
Sicherheitsmaßnahmen: - Schutzzaun mit Schutzschalter - Erdung aller Bauteile
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Versuchsdurchführung
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E in J 500 f in Hz 25 DB in mm; ´´ 311; 12 ¼ Espez in J/cm3 500 ROP in m/h 1,5 tL in h 350
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Hochdruckversuche
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500 bar Hochdruckbehälter
Probenhalter
Probe
Hochdruckbehälter
Elektrode
Durchführung
Hochspannungs-teiler
Hochspannungs- generator
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Hochdruckversuche
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Leistungsbetrachtung
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12,5 kW
13,5 kW
14,5 kW
16,5 kW
18,5 kW
20 kW
24 kW
Elektrode η = 50 %
Hochspannungs-generator η = 94 %
Gleichrichter η = 95 %
Transformator η = 90 %
Generator η = 90 %
Planetengetriebe η = 95 %
Turbine η = 80 %
Pout = 8,7 kW Rotary-Bohrverfahren
𝜂𝜂 = 10 – 15 %
Pin = 58 – 87 kW
Pout = 6,25 kW EIV Bohrsystem
𝜂𝜂 = 26 %
Pin = 24 kW
6,25 kW
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Vergleich mit Rotary-Verfahren
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Vergleich mit Rotary-Verfahren
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Testbohrung in Freiberg
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Zeitraum: 14.08.17 – 13.10.17
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Vorbereitung
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Vorbereitung
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1-2 m
7-8 m
Lehm
verwitterter Gneis
stabiler Gneis
Grundwasserstand
18 m
Erste Bohrlochabschnitt mit Standrohr aus Kunststoff abgesichert
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Vorbereitung der Versuche
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Vorteile des EIV
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- minimaler Verschleiß - lange Standzeiten
- geringe oder keine Rotation notwendig
- kein Andruck notwendig
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Die Zukunft des EIV
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- Nachweis der Bohr- - geschwindigkeit und Standzeit
- Kleinere Bohrlochdurchmesser - Entfernen von Scalings
- Zerkleinerung von Erzen - HDD-Bohrungen - Flachbohrtechnik