Forschungsbohrungen sind ein unverzichtbares Instrument der modernen Geowissenschaften. Sie stellen ein „Fenster“ in den Untergrund und somit in die Erdgeschichte dar. Nur durch sie lassen sich Direktinformationen über die Bedingungen in der oberen Erdkruste sowie die dort ablaufenden Prozesse gewinnen. Doch wie werden diese „Fenster“ in den Untergrund eigentlich technisch verwirklicht?
„Eine Bohranlage muss unterschiedliche Aufgaben erfüllen“, erklärt Lothar Wohlgemuth vom GeoForschungsZentrum Potsdam. „Das Herstellen der eigentlichen Bohrung (bergmännisch: Abteufen), den Transport des erbohrten Gesteins an die Oberfläche sowie die Stabilisierung beziehungsweise Sicherung des Bohrloches.“ Der Bohrturm ist dabei der zentrale Dreh- und Angelpunkt der Arbeiten und dient neben dem Ein- und Ausbau des Bohrstranges auch der Bereitstellung nötiger Werkzeuge.
Bohrmeißel zertrümmert Gesteine
„Der Bohrstrang besteht aus einzelnen miteinander verschraubten Bohrstangen, dem Bohrgestänge, und stellt die Verbindung von über Tage bis zur Bohrlochsohle her. Er hängt im Bohrturm am Bohrhaken“, erklärt Wohlgemuth. An seinem unteren Ende befindet sich wiederum das Bohrwerkzeug: der Bohrmeißel. Die Gesteinszerstörung erfolgt durch die Rotation des Bohrwerkzeuges. Entweder geschieht dies durch Drehung des gesamten Bohrstranges vom Bohrturm bis zur Bohrlochsohle (Rotarybohrverfahren) oder aber alternativ durch einen Bohrlochsohlenmotor. Dieser befindet sich unmittelbar oberhalb des Bohrmeißels und wird hydraulisch angetrieben.
Die auf diese Weise abgeteufte Bohrung wird durch den Einbau von Rohren gesichert, deren Anzahl und technische Auslegung von der Lithologie und der Geologie abhängt. Diese Verrohrung wird durch Zement im Gebirge verankert und bildet im Verbund als „Verrohrung-Zementmantel-Bohrlochwand“ ein festes Element zur Sicherung der Bohrung. Sobald das Bohrwerkzeug verschlissen ist, muss der gesamte Bohrstrang zum Wechsel des Bohrwerkzeuges aus- beziehungsweise wieder eingebaut werden. Dazu wird der Bohrstrang mit einem so genannten „Pipe-Handling-System“ in einzelne Gestängezüge zerlegt und im Turm abgestellt.
Auf die Spülung kommt es an
„Durch die Drehung zerstört der Bohrmeißel das Gestein, wobei der nötige Druck durch dickwandige Bohrstangen, den Schwerstangen, erzeugt wird“, erklärt Wohlgemuth. Nun muss allerdings noch das zerstörte Gestein, das so genannte Bohrklein oder Cuttings, von der Bohrlochsohle zur Oberfläche transportiert werden. Dazu bedient man sich des so genannten Spülungsumlaufsystems: „Von oben wird eine Flüssigkeit durch das Innere des Gestänges zur Bohrlochsohle gepumpt und tritt unten durch Düsen am Meißel aus. Dort reinigt es die Bohrlochsohle, kühlt und schmiert das Bohrwerkzeug und transportiert das Bohrklein im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand wieder nach oben“, so Wohlgemuth. Über Tage entfernen Siebe und Zentrifugen das Bohrgut aus der Spülung, die anschließend wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Als Nebeneffekt treibt bei Einsatz eines Bohrmotors die Spülung zugleich auch das Bohrwerkzeug an.
Richtbohren mittels Joystick
Die moderne Bohrtechnik ist heute in der Lage, senkrechte, geneigte und horizontale Bohrungen von mehreren Kilometern Länge zielgenau abzuteufen. Dies wird mit Hilfe von steuerbaren Systemen, die sich über dem Bohrmeißel befinden und mit Bohrmotoren zusammenwirken, erreicht. Zum Vergleich: In einem großen Konferenzraum entspräche dies dem zentimetergenauen Ansteuern eines beliebigen Punktes mit einer nur haardünnen Rohrleitung. Die Grundlagen dieser Techniken wurden bereits Anfang der 1990er Jahre im deutschen Forschungsprogramm „Kontinentales Bohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland KTB“ entwickelt. Mit dieser Technik ist es heute möglich, zielgenaue Bohrungen sowohl für das Auffinden von Lagerstätten oder geothermischen unterirdischen Hydrauliksystemen durchzuführen, als auch wissenschaftliche Fragestellungen durch das Abteufen von Richtbohrungen zu beantworten, so zum Beispiel das Durchbohren von Störungszonen wie der San Andreas Verwerfung in den USA oder von Vulkankegeln wie dem Shimabara in Japan).
Wie profitiert die Wissenschaft?
„Neben Verfahren der geophysikalischen Tiefenerkundung sind die Forschungsbohrungen das wichtigste Mittel, um Genaueres über den Untergrund zu erfahren“, erläutert Wohlgemuth die Bedeutung der Technologie. Mit ihrer Hilfe lassen sich feste, flüssige und gasförmige Stoffe wie Bohrklein, Bohrmehl, Bohrkerne oder Bohrspülungen fördern, die dann über Tage gründlich untersucht werden können. Beispielsweise führt der Einsatz einer Bohrkrone zu einer ringförmigen Gesteinszerstörung und ermöglicht das Erbohren von zylinderförmigen Bohrkernen. Ein bis zwei Meter Erdgeschichte können auf diese Weise pro Stunde erbohrt werden, wobei die Bohrkerne in der Regel eine Länge von circa sechs Metern aufweisen. Ein spezielles Kernrohr nimmt die Proben auf, die dann zur weiteren Untersuchung an die Oberfläche transportiert werden.
Neben dieser Probenentnahme ermöglichen die Bohrlöcher aber auch direkte Messungen und Tests in der Tiefe, sprich unter In-Situ–Bedingungen „vor Ort“. Mit spezieller Messtechnik lassen sich die Eigenschaften des Gebirges wie elektrischer Widerstand, natürliche Gammastrahlung, Gesteinsdichte, Schallwellengeschwindigkeiten, chemische Elemente, magnetische Felder, Schwerefeld oder Kluft- und Störungszonen eindeutig feststellen. Dazu werden Bohrlochmesssonden an einem mit elektrischen Leitern versehenem Stahlkabel in das Bohrloch eingefahren. Die Messung erfolgt dadurch, dass sich Sensoren an die Bohrlochwand anpressen und beim Auffahren im Bohrloch die gewünschten Daten messen. Die Datenübertragung erfolgt direkt über das Messkabel zur Messstation über Tage, wo sie per Computer verarbeitet und gespeichert werden. „Ohne Forschungsbohrungen wäre die Wissenschaft auf eine reine Ferndiagnose angewiesen und so manches Geheimnis um die obere Erdkruste wäre uns für immer verschlossen geblieben“, so Wohlgemuth.
Links:
GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)
(Lothar Wohlgemuth / GeoForschungsZentrum Potsdam, 02.03.2007 – AHE)
