Präsentation des Sachverständigen Prof. Dr.-Ing. Matthias ...€¦ · Anhörung im Bundestag am...
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9. Juni 2015
Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe
gemäß § 3 Standortauswahlgesetz
Arbeitsgruppe 3 Entscheidungskriterien sowie Kriterien für Fehlerkorrekturen
Geschäftsstelle
Anhörung „Tiefe Bohrlöcher“ in der 9. Sitzung der Arbeitsgruppe 3
am 8. Juni 2015
Präsentation des Sachverständigen Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich,
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau, Bergakademie Freiberg
„Stand der Tiefbohrtechnik. Wie werden Tiefbohrungen hergestellt?“
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Foto: PlanetErde
Stand der TiefbohrtechnikWie werden Tiefbohrungen hergestellt?Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich8. Juni 2015, Anhörung im Bundestag, Kommission Endlagerung
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Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich
• 56 Jahre, verheiratet, 2 Kinder• Verfahrenstechnik-Studium an der TU
Clausthal, Abschluss 1986• 4 Jahre Papierindustrie• 16 Jahre internationales Serviceunternehmen
der Öl- und Gasindustrie, Entwicklung, Inbetriebnahme und Vertrieb von Hochleistungs-Bohrsystemen
• nebenberufliche Promotion an der TU Bergakademie Freiberg
• seit 2006 Professor für Bohrtechnik, Spezialtiefbauausrüstungen und Bergbaumaschinen an der TU Bergakademie Freiberg
2Anhörung im Bundestag am 8.6.2015, Kommission Endlagerung, Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau,
Agricolastraße 22, 09596 Freiberg, Tel. 03731 / 39-2491, e-mail [email protected]
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Highlights der Tiefbohrtechnik
3Anhörung im Bundestag am 8.6.2015, Kommission Endlagerung, Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau,
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• Vor 2700 Jahren Bohrungen mit 800 Meter Tiefe
• 1859 erste Ölbohrung in Titusville (Pennsylvania)
• 1901 Erfindung der modernen Rotary-Bohrtechnik
• 1930 Erfindung der Richtbohrtechnik
• 1970-1989 Jahre: tiefste Bohrung der Welt (12.262 m)
• Seit 1995: Reservoir Navigation bis zu 13 km Länge
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Wie sieht eine Tiefbohrung aus?
4
so nicht!
Studium „Petroleum Engineering“ an der TU Bergakademie Freiberg:• 4 Semester Grundstudium
(Vordiplom)• 4 Semester Hauptstudium• 1 Semester Diplomarbeit• 120 Schichten Praktikum• Abschluss: Dipl.-Ing.
• danach meist mehrjährige Trainee-Programme
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Ablauf einer Bohrung
Grundwasser
Lockergestein
Festgestein
anspruchsvolle Formation z.B. Ton
anspruchsvolle Formation z.B. Salz
Lagerstätte
Standrohr
5
Caprock (Dichtung)
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Ablauf einer Bohrung
Grundwasser
Lockergestein
Festgestein
anspruchsvolle Formation z.B. Ton
anspruchsvolle Formation z.B. Salz
Lagerstätte
Bohrplatz
6
Caprock (Dichtung)
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Anlage des Bohrplatzes
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Ablauf einer Bohrung
Grundwasser
Lockergestein
Festgestein
anspruchsvolle Formation z.B. Ton
anspruchsvolle Formation z.B. Salz
Lagerstätte Perforation8
Caprock (Dichtung)
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Bohrlochkonstruktion
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Beispiele von Qualitätskontrollen an Verrohrung und Zementation
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Ausführung durch spezielle Service-FirmenInspektionen der Rohre: sind die Rohre und Gewinde einwandfrei?Verschraub-Protokolle: sind die Rohre wirklich dicht?Kontrollmessungen:• Kaliber Log: wieviel Zement wird benötigt?• Temperatur-Log: wie hoch steht der Zement hinter dem Rohr?• Leak-off Test: besitzt der Zement die nötige Festigkeit?• Cement Bond Log: bindet der Zement fest an der Verrohrung an?
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Futterrohr- und zugeordnete Bohrlochdurchmesser nach API
(American Petroleum Institute)
BohrlochkonstruktionBenötigte Vorgaben • Enddurchmesser der Bohrung
• abhängig von angestrebter Förderrate
• Endteufe der Bohrung• Geologisches Profil
Ergebnisse der Konstruktion• Durchmesser des übertägigen
Standrohres• erforderliche Kapazität der
Bohranlage• Hakenlast• Drehantrieb• Pumpleistung
127 mm
610 mm11
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Primäre BohrlochkontrolleEinhalten des Druckfensters (Bohrspülung)!
• Druck im Bohrloch zu gering:– Kick (Gaseintritt)
– Verlust der Stabilität
• Druck im Bohrloch zu groß:– Frack (Rissbildung im Gestein)
12
• Geologisches Modell• Untersuchung des Bohrkleins• Über- und untertägige Sensoren
Druck
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Dimensionen realer Tiefbohrungen nach Öl und Gas
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• Typische vertikale Teufen: 3 – 6 km• Bohrungslängen bis zu 12 km
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Multilateralbohrungen
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KTB, Windischeschenbach
1987 – 19959101 m vertikal270 mio Euro
Bohranlage:550 t Hakenregellast800 t Ausnahmelast
24 ½“ Standrohr (622 mm)7 5/8“ Liner (193 mm)in 5000 m Tiefe: 13 3/8“ (340 mm)
Tiefste Bohrung in Deutschland
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Moderne Land-Tiefbohranlagen• kompakt, modular
• Mobilität!• schallgeschützt• sicher für die
Mannschaft• teilautomatisiert• Hakenlasten bis 500 t
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Moderne Offshore-Tiefbohranlagen
• Stabilere „Turm-Konstruktion“
• größere Hakenlast (oft bis 750 t)
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Neues Konzept zur Reduktion der Hakenlast: Monobore
Monobore Design Standard Design
„Konzept, Entwicklung, Fertigung, und Test eines innovativen und kostengünstigen Geothermie-Verrohrungssystems“BMU / BMWi Förderkennzeichen: 0325073
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Unteres Ende des Bohrstranges(sehr stark vereinfacht)
Messgeräte
Bohrmeißel(Gesteinszerstörung)
Steuerkopf(Lenkung)
Datenübertragungzur Oberfläche
Befehle nachUntertage
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150°C, >500 bar!
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MWD / LWD-Systeme (Beispiel)
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Typische untertägige Messungen:
Directional WO bohren wir? Himmelsrichtung, Neigung, …
Druck Bohrlochkontrolle, Bohrlochstabilität
Dynamik Meißelandruck, Drehmoment, Vibrationen, …
Gamma Erkennung von Tonschichten (Oberkante Lagerstätte)
Resistivity Unterscheidung zwischen Wasser und Öl (Unterkante)
Neutron Porosity Porosität des Gesteins
Formation Density Porosität des Gesteins, Poreninhalt
Ultrasonic Caliper Bohrlochqualität
Acoustic Gesteinsfestigkeit
Imaging Tools Klüfte, Risse im Gestein
Seismic while drilling Erkundung des Bereichs VOR dem Bohrmeißel
NMR Porenvolumen, bewegliche und gebundene Fluide(nuclear magnetic resonance)
Beispiele für MWD / LWD Messungen
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Faktoren, die die Bohrkosten beeinflussen
1. Endteufe– Anlagengröße
– Bohrplatzbau
2. Durchmesser– Materialkosten
– Anlagengröße
3. Lebensdauer– Verrohrungsausbau
– Bohrlochkomplettierung
4. Messprogramm– Geophys. Loggingprogramm
– Produktionsteste
– Kerndurchmesser, Länge der Kernstrecken
5. Marktpreise, Verfügbarkeit– Rohre, Material, etc.
– Bohranlage
– Serviceleistungen
6. Reparaturen, Ausfallzeiten (NPT)
7. Umwelt & Genehmigungsverfahren
22
Sehr tief, sehr groß, sehr haltbar sehr teuer!… aber aus technischer Sicht machbar!
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Typische Aufteilung der Bohrkosten
73%: Personal, Vermessungsarbeiten, Richtbohrservice, Rohre und Miete für die Bohranlage
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Beispiele für aktuelle Forschungsprojekte
• Monobore (Rohre einsparen),BMU / BMWi Förderkennzeichen: 0325073
• Alternative Methoden der Gesteinszerstörung (schneller bohren)– Elektro-Impuls-Verfahren
BMU / BMWi, FKZ. 0327664, FKZ: 0325253
– Bohrhämmer für die TiefbohrtechnikDGMK (Deutsche Erdöl-Industrie)
– SpallationsbohrenPotter Drilling, USA / Google
• Vorausschauende Erkundung (Ziel genauer treffen)BMU / BMWi, FKZ 0325615A (SPWD-Busdata)
• Automatisierung des Bohrprozesses (Personal einsparen)u.A. GeBo, Niedersachsen
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Verwahrung einer Bohrung
Grundwasser
Lockergestein
Festgestein
anspruchsvolle Formation z.B. Ton
anspruchsvolle Formation z.B. Salz
Lagerstätte25
Caprock (Dichtung)
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Entlastungsbohrung
Grundwasser
Lockergestein
Festgestein
anspruchsvolle Formation z.B. Ton
anspruchsvolle Formation z.B. Salz
Lagerstätte26
Caprock (Dichtung)
Entwickelt zur Blowout Bekämpfung
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Fishing (Bergung)
27
Vorgehens-Reihenfolge in der Tiefbohrtechnik1. Versuchen anzuschrauben2. Versuchen auf dem Außendurchmesser zu greifen3. Versuchen auf dem Innendurchmesser zu greifen4. Wegfräsen des Hindernisses
2. overshot1. pin sub 3. spear 4. junk mill
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Fazit
28Anhörung im Bundestag am 8.6.2015, Kommission Endlagerung, Prof. Dr.-Ing. Matthias Reich, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau,
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• Tiefbohrungen können sicher hergestellt werden– Inspektion, Dokumentation, Kontrolle aller Arbeitsschritte– umfangreiche Messtechnik Über- und Untertage– präzise Positionierung möglich
• 5000 Meter Tiefe ist Routine• Bohrlochverwahrung ist Routine• Bergung ist Routine
Aber:• Standardisierte Durchmesserreihen der Öl- und
Gasbohrtechnik entsprechen nicht den Anforderungen der Endlagerung
• Derzeitige Atommüll-Behälter nicht tiefbohrtauglich (Durchmesser, Druck)
• Stand der Technik der Tiefbohrtechnik allein ist noch kein Endlager-Konzept
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29
Vielen Dank für dieAufmerksamkeit!
Bohrtechnik Fördertechnik
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