Weltweit werden täglich mehr als 9,5 Milliarden Liter Erdöl verbraucht. Ein bis zwei Drittel der Förderkosten verursachen allein die Bohrarbeiten; einigen Schätzungen nach übersteigen diese Ausgaben pro Tag rund 130 Millionen Mark. Bohrungen sind deswegen so teuer, weil sie oft in schwer zugänglichen Gebieten niedergebracht werden und eine komplexe Maschinerie benötigen, die nur von Spezialisten zu bedienen ist.

Traditionell werden Bohrlöcher senkrecht in die Tiefe getrieben. Aber obwohl diese Richtung den kürzesten Weg vorgibt, muß sie nicht die günstigste sein. Zudem verhindern häufig Gebäude, Flüsse oder Berge, Bohrtürme direkt über der höffigsten Stelle eines Gas- oder Ölreservoirs zu positionieren; Klüfte, Verwerfungen oder steil einfallende harte Gesteinsformationen können ein senkrechtes Bohren ebenfalls unmöglich machen.

In den vergangenen zehn Jahren sind deshalb verschiedene Methoden entwickelt worden, Bohrungen präzise zu steuern, um sie von einem entfernten Ort an der Erdoberfläche aus zur Lagerstätte abzulenken und ihren Verlauf zu kontrollieren – im Bogen, quasi abgeknickt, so daß sie unterirdisch horizontal verlaufen, oder gar mit mehreren Richtungswechseln. Mittlerweile werden diese Techniken auch in anderen Branchen angewendet, etwa um geothermische Energie aus tiefliegenden Dampf- oder Heißwasservorkommen zu gewinnen, chemisch oder radioaktiv verseuchte unterirdische Bereiche aufzuspüren und zu sanieren sowie Versorgungsleitungen unter dicht besiedelten oder sonst nicht zugänglichen Gebieten zu verlegen.

Ein Vorläuferverfahren des gerichteten und horizontalen Bohrens ist das Sidetracking, womit man ein festsitzendes Stück des Bohrstrangs umgeht. Die Bohrmannschaft entfernt Gestänge und andere Komponenten oberhalb der Verklemmung soweit wie möglich und zementiert das verlorene Stück ein. Dann wird ein stählerner Keil mit der Spitze nach oben im Bohrloch verankert. Dieser lenkt den neuen Meißel schräg ab; das Gestänge ist elastisch genug, einer leichten Krümmung zu folgen.

Theoretisch könnte man, um eine größere Ablenkung zu erzielen, auch bei einer planmäßigen Bohrung nach und nach solche Keile auf die jeweilige Lochsohle niederbringen. Die Prozedur wäre jedoch nicht nur zeitraubend, sondern auch riskant, weil das niedergehende rotierende Gestänge einer mehrfach geknickten Bahn folgen müßte; darum ist das Verfahren für gerichtete Bohrungen wenig attraktiv.

Die Erschließung von Öl- und Gasfeldern unter Binnenmeeren und im Kontinentalschelf mit schwimmenden Plattformen, aufgeständerten Hubplattformen oder im Boden verankerten Bohrinseln motivierte die Entwicklung praktikabler und wirtschaftlicherer Methoden. Gullfaks C beispielsweise, eine der größten Ölbohrplattformen in der Nordsee, wiegt rund 1,5 Millionen Tonnen, ist etwa 260 Meter hoch und kostete zwei Milliarden Dollar; ihre Basis bedeckt 1,6 Hektar des Meeresbodens. Um große Off-shore-Felder durch Vertikalbohrungen hinreichend zu erschließen, wären mehrere solcher aufwendigen Anlagen erforderlich. Dagegen ist es durch Richtbohrungen möglich, von einer Plattform aus ein Reservoir an verschiedenen Stellen anzuzapfen und so effektiver auszubeuten.

Den bisherigen Rekord stellte im Januar 1993 die norwegische nationale Ölgesellschaft in der Nordsee auf: In 2750 Meter Tiefe lenkten die Ingenieure eine Bohrung aus der Senkrechten ab und führten sie dann horizontal 7290 Meter weiter.


Produktivitätssteigerung

Die Richtung eines Bohrlochs beeinflußt seine Förderleistung, weil durch eine horizontale Führung die Kontaktfläche zum Erdölmutter- beziehungsweise -speichergestein vergrößert wird. Die fossilen Kohlenwasserstoffe – Öl und Gas – sammeln sich in porösen Sedimenten unter undurchlässigen Schichten, die das Lager nach oben hin abdichten; das Öl schwimmt praktisch unter einer Gaskappe auf dem Porenwasser. Der Gasdruck setzt den Ölstrom zum Bohrloch in Gang; ist der Druck zu schwach, werden Pumpen eingesetzt. Zur Sekundärförderung und auch, wenn man das Gas gewinnen will, wird Wasser kontrolliert unter die Ölschicht gepreßt (bei der Tertiärförderung macht man außerdem das Öl mit eingepumptem Heißdampf oder Chemikalien dünnflüssiger).

Die ölführende Schicht ist in der Regel nicht sehr mächtig, aber flächig ausgedehnt. Eine senkrechte Bohrung hat somit nur über wenige Meter Kontakt damit und könnte – wenn sie zu tief reicht – Wasser mitfördern (Bild 2). Mit der herkömmlichen Primärförderung ließe sich ein Reservoir denn auch nur zu 10 bis 30 Prozent ausbeuten.

Eine horizontale Bohrung hingegen kann eine ölführende Schicht über Hunderte oder sogar Tausende von Metern direkt erschließen, bei korrekter Führung ausreichend weit von der Wasserzone und der Gaskappe entfernt. Außerdem erzeugt der Gasdruck entlang der gesamten Kontaktstrecke geringere Fließgeschwindigkeiten; Turbulenzen im Ölstrom sind seltener, und der Strömungswiderstand ist geringer.

Erdöl sickert zudem häufig in Risse des Gesteins und breitet sich darin leicht aus. Diese Störungen verlaufen meist parallel zueinander entsprechend der Schichtung und der Spannung im Sediment. Erfahrene Bohrmannschaften können durch horizontale Bohrungen viele solcher Risse anschneiden. In einigen Fällen ließ sich die Ausbeute so um das Zehnfache steigern.


Technische Ausrüstung

Die herkömmlichen Bohrmethoden waren für solche technischen Tricks nicht geeignet. Das klassische Tiefbohrgerät arbeitet nämlich nach dem Prinzip des Lots: Das aus vielen Rohrelementen zusammengesetzte Gestänge hängt am Bohrturm; an seinem unteren Ende befinden sich die sogenannten Schwerstangen und der rotierende Bohrmeißel.

Das Gestänge überträgt die Drehung auf den Meißel, und das Gewicht der Schwerstangen drückt ihn gegen das Gestein. Bei Druckübertragung würde sich das dünnere Gestänge verbiegen, durch Reibung an der Lochwand stark abnutzen oder gar brechen. Denn immerhin entsprechen 3000 Meter Gestänge mit 13 Zentimetern Rohrdurchmesser maßstäblich verkleinert einer 1-Millimeter-Kanüle von 23 Metern Länge.

Da ein solches System auf Zug ausgelegt ist und sich im Idealfall genau senkrecht in die Erde frißt, mußten für gerichtetes Bohren etliche Neuerungen eingeführt werden (Bild 1).

So darf nicht mehr das Gestänge als Ganzes rotieren, weil sich ein seitwärts gerichteter Meißel dann spiralförmig in das Gestein graben und somit wiederum senkrecht nach unten bohren würde. Deshalb wurden Motoren entwickelt, die ihn direkt antreiben. Damit er nun einem anhand von geologischen Messungen als optimal berechneten Kurvenverlauf folgen kann, wird zum Beispiel eine gekrümmte Schwerstange – ein sogenannter Knickübergang – eingesetzt. Eine Krümmung von beispielsweise zwei Grad reicht bereits aus, einen Ablenkradius von knapp 300 Metern zu erbohren. Die Bohrmannschaft auf der Oberfläche dreht das Gestänge so, daß die geknickte Schwerstange den Meißel in die gewünschte Richtung hält.

Je geringer der Reibungswiderstand im unteren Teil des Bohrlochs ist, desto größer ist der Erfolg des Vorhabens. Die geraden Schwerstangen, die den Druck ausüben, befinden sich darum im oberen, senkrechten Teil der Bohrung, denn im gekrümmten oder horizontalen Abschnitt würden sie an der Wand schleifen. Unterhalb davon setzt man ein relativ leichtes Gestänge aus sehr steifen Rohren ein, verbunden mit verschleißfesten Muffen, die das Ensemble gegen die Bohrlochwand abstützen. Damit sich weder Ausrüstung noch Bohrklein – das vom Meißel zermahlene Gestein – festsetzen, verwendet man eine wäßrige Spülflüssigkeit mit reibungsmindernden Zusätzen. Sie kühlt zudem den Meißel und wirkt durch ihr hohes spezifisches Gewicht dem Gas- oder Öldruck entgegen. Tonminerale und Bohrklein, die sich als sogenannter Filterkuchen an der Bohrlochwand absetzen, behindern den Wasserdurchgang von der Spülflüssigkeit in das Gestein. Es entsteht ein Druckgefälle, das die Wand stützt.


Spezielle Motoren

Um den Bohrmeißel direkt und nicht über das Gestänge in Rotation zu versetzen, verwendet man Aggregate, die von der Spülflüssigkeit angetrieben werden. Turbinen erwiesen sich in Tests allerdings nicht als geeignet, da sie nur bei mehreren hundert Umdrehungen pro Minute effizient arbeiten und damit für die meisten konventionellen Bohrmeißel zu schnell sind; weil die Spülung auch durch eine Turbine läuft, wenn diese sich nicht dreht, war es schwierig festzustellen, ob sie den Meißel überhaupt antrieb.

Darum verwendet man Verdrängermotoren. Die Spülung fließt zwischen einem spiralförmigen stählernen Rotor – einem Korkenzieher nicht unähnlich – und einem mit Gummi ausgekleideten und somit reibungsvermindernden Stator, geformt als negatives Gegenstück, doch mit zusätzlichen Windungen. Aufgrund dieses Gangunterschieds gibt es Hohlräume zwischen Rotor und Stator, die wandern und Spülflüssigkeit weitertransportieren, wenn der Rotor gedreht wird. Dieses Pumpenprinzip läßt sich umkehren: Der gut zu regelnde Spülstrom dreht dann auf seinem Weg zum Bohrmeißel den Rotor und erzeugt so das erforderliche Drehmoment. Unterschiedlichste Geschwindigkeiten und Drehmomente lassen sich durch die Anzahl der Windungen und Ganghöhen vorbestimmen.


Flexiblere Gestänge

Manchmal muß die Bohrung in engerem Bogen abgelenkt werden, als die Elastizität des Gestänges es zuläßt. Eine Lösung für Radien von 10 bis 20 Metern bietet ein vorgebogenes Leitrohr mit quer zur Rohrachse angebrachten Schlitzen. Darin dreht sich ein Antriebsrohr aus gelenkig verbundenen Segmenten, vom Aufbau her ähnlich unserer Wirbelsäule; und darin wiederum steckt ein weiteres flexibles Rohr für die Spülflüssigkeit. Das Ensemble wird beim Einlassen in das Bohrloch zunächst ausgerichtet, wozu man das geschlitzte Leitrohr – praktisch eine Art gekrümmte Sprungfeder – geradebiegt. An der Bohrsohle entspannt es sich, nimmt die vorbestimmte Biegung an und lenkt den Meißel so entlang einer Kurvenbahn. Nach wenigen Dutzend Metern verläuft das Bohrloch dann horizontal.

Inzwischen gibt es integrierte Antriebe für Radien von beispielsweise 30 Metern, die den Richtungsknick statt durch die passive Krümmung eines geschlitzten Rohres über ein Gewinde und Gelenke zwischen Bohrmeißel und Meißelantrieb erzeugen (Bild 3). Der entsprechende Winkel wird über Tage auf der Bohrplattform voreingestellt. Weitere Gelenke im Anschluß an den Verdrängermotor geben diesem Kurz-Radius-Antrieb die erforderliche Flexibilität; sie haben einen dem Handgelenk vergleichbaren Bewegungsspielraum.

Bei einigen Lagerstätten ist es günstig, sehr dünne Horizontalbohrungen sternförmig von der Basis eines senkrechten Bohrlochs aus nach außen – also mit Krümmungsradien unter einem Meter – vorzutreiben. Dazu setzen die Ingenieure ein gekrümmtes, dünnes Führungsrohr in den Schacht ein, durch das sie ein verformbares Stahlrohr – von oft nur fünf Zentimetern Durchmesser bei 30 Meter Länge – schieben. Ein Hochdruck-Wasserstrahl zerkleinert das Gestein. Ist das Rohr weit genug vorgetrieben, wird es mit chemischen Mitteln abgetrennt und zur Ölförderung vor Ort gelassen. Das Führungsrohr kann dann in eine andere Position gedreht und ein weiteres Stahlrohr hindurchgeführt werden.


Steuerung und Lagemessung

Um die Bohrung exakt zu steuern, muß der Bohrmeister wenigstens jeweils die aktuelle Neigung und Richtung des Bohrlochs sowie den Winkel des Meißels kennen. Zur Überwachung dieser Daten von der Oberfläche aus kann man immer wieder Meßinstrumente wie Kompaß und Lot an einem Kabel hinablassen und auf der Plattform die Verwindung des Gestänges kontrollieren.

Das kostet aber Zeit, weil der Bohrvorgang jedesmal unterbrochen werden muß. Deshalb wurden Systeme mit unabhängiger Energieversorgung entwickelt, die hinter dem Meißelantrieb installiert werden können und während des Bohrbetriebs permanent arbeiten. Solche sogenannten Measurement-while-drilling-Apparate (kurz MWD-Systeme) übermitteln ihre Informationen an die Oberfläche, indem sie die Meßwerte als Änderungen des Spülflüssigkeitsdrucks codieren, also in bestimmten Abständen den Spülfluß kurz unterbrechen und wieder freigeben. Diese Pulsationen pflanzen sich bis zur Oberfläche fort und werden dort entschlüsselt.

Die modernste Sensorik – das texanische Unternehmen Anadrill war Pionier auf diesem Gebiet – ermöglicht sogar, was die Fachwelt smart drilling (intelligentes Bohren) nennt: Man kann damit bestimmten geologischen Formationen in Richtung des Förderhorizonts folgen, weil das System unablässig die Beschaffenheit des Gesteins in der Umgebung des Meißels anhand bestimmter physikalischer Parameter überwacht. Während etwa die Erdölspeichergesteine – beispielsweise poröse Sandsteine oder Carbonate – keine nennenswerten Gehalte an radioaktiven Elementen aufweisen, finden sich in den darüberliegenden undurchlässigen Tonen oder Schiefern meist Spuren von Uran, Thorium und dem Isotop Kalium-40. Meßfühler am MWD bestimmen die Radioaktivität; so kann der Bohrmeister die unproduktiven Sedimente meiden.

Andere Sonden messen den elektrischen Widerstand rund um die Bohrung: Die Minerale sowie Erdöl und Erdgas haben einen sehr hohen, das in dieser Tiefe meist salzhaltige Wasser einen geringen Widerstand. Auch daran läßt sich feststellen, ob sich der Meißel noch im Förderhorizont oder bereits unter der Öl-Wasser-Grenzschicht befindet.

Aus dem Drehmoment des Antriebs und dem Andruck auf den Meißel erkennen die Ingenieure zudem, ob sich Teile der Ausrüstung verklemmt haben, etwa weil mehr Material aus der noch nicht verrohrten Wand bricht, als die Spülung abtransportieren kann – mitunter droht dann ein Bohrlochkollaps. Die Messung des Drehmoments bei vorgegebenem Andruck gibt schließlich darüber Aufschluß, ob der Meißel mit Bohrklein zugesetzt oder abgenutzt ist.


Anwendungen in anderen Branchen

Mittlerweile setzen auch Wasser-, Gas- und Elektrizitätswerke sowie Kommunikationsdienste die Richtbohrtechnik ein, um Kabel oder Rohrleitungen unter Straßen, Gebäuden und Flüssen zu verlegen. In den siebziger Jahren – bevor diese Methode verfügbar war – wurden etwa 50 Flüsse auf eine Gesamtstrecke von rund 18 Kilometern mit Bohrtechniken unterquert. Doch allein im Jahr 1988 betrug diese Distanz bei jetzt 200 Projekten schon 61 Kilometer. Anfang 1993 verlegte die Cherrington Corporation unter dem Sacramento in Kalifornien eine 1265 Meter lange Rohrleitung mit einem Durchmesser von 107 Zentimetern. Weitere Beispiele sind die Unterführung der Gas-Pipeline unter dem Noord-Holland-Kanal in den Niederlanden mit einer Länge von 610 Metern und einem Durchmesser von 122 Zentimetern sowie eine 20 Zentimeter starke, etwa 1,8 Kilometer lange Leitung unter dem Sankt-Lorenz-Strom bei Trois-Rivière in der kanadischen Provinz Quebec.

Bei diesen Anwendungen bohrt man von vornherein im flachen Winkel und mit schwacher Krümmung, um die im Loch verlegten Rohrleitungen möglichst geringen Biegekräften auszusetzen. Kraftvolle Antriebe an der Erdoberfläche müssen darum anstelle der Schwerstange den Bohrstrang in den Boden pressen. Ein unabhängiges Detektorsystem am Bohrmeißel steuert die Anlage. Verläuft die Bohrung flach und ist das Gelände darüber zugänglich, können elektrische Signale von einem auf dem Erdboden aufliegenden Kabel induktiv an die Sensoren übertragen werden. Auf diese Weise vermag der Bohrmeister die Richtung des Meißels sehr präzise zu steuern; oft trifft er das Ziel über eine Strecke von mehreren hundert Metern auf wenige Dezimeter genau.

Der Erdboden unter einem Fluß ist meist weich; um Bohrlochzusammenbrüchen vorzubeugen, wird oft in mehreren Phasen gearbeitet (Bild 4): Während einer Pilotbohrung von nur wenigen Zentimetern Durchmesser schiebt man nach und nach in diese Öffnung passende Rohre von hinten auf das Gestänge zum Bohrmeißel auf. Die oft nur aus Plastik bestehende Verrohrung schützt die instabile Bohrlochwand vor dem rotierenden Gestänge und vor Erosion durch die rückfließende Spülung. Ist die andere Flußseite erreicht, wird der Bohrmeißel gegen einen Erweiterungsmeißel mit der Krone in Gegenrichtung ausgetauscht. Ein Drehkopf verbindet ihn mit der zu verlegenden Pipeline. Dann wird die gesamte Anordnung zum Ausgangspunkt der Bohrung zurückgezogen; dabei dreht sich der Erweiterungsmeißel und zermahlt auch das Plastikrohr. Der Drehkopf gewährleistet, daß sich die Pipeline nicht mitdreht.

Das Richtbohren bewährt sich auch in der Umwelttechnik, um schwer zugängliche verseuchte Bodenbereiche aufzuspüren und zu sanieren (Bild 5). Da sich die Bohrmaschine nicht in der Nähe der Schadstoffquelle befindet, besteht für die Mannschaft keinerlei Gefahr der Kontamination. Am amerikanischen Nuklearkomplex Savannah River in South Carolina wurden so flüchtige organische Schadstoffe aus einer undichten Abwasserleitung durch zwei Horizontalbohrungen entsorgt: Durch die eine pumpte man Luft in den Untergrund, und an der anderen wurde sie mitsamt den toxischen Dämpfen abgezogen. Eine Reihe vertikaler Bohrungen hätte etwa 125 Millionen Dollar mehr gekostet.


Aktuelle Entwicklungen

An der Universität von Kalifornien in Berkeley arbeiten wir daran, für Sanierungsbohrungen stark gekühlte Gase – Luft oder Stickstoff – anstelle der bisher üblichen wäßrigen Suspensionen als Spülung zu verwenden. Das hat verschiedene Vorteile: Wasser kann die Zusammensetzung der Schadstoffe im Boden verändern und sie in bisher unbelastete Bereiche auswaschen; bei reaktionsträgeren Gasen ist dieses Risiko wesentlich geringer. Die niedrigen Temperaturen bewirken, daß die Schadstoffe – wenn ihre Schmelzpunkte entsprechend hoch liegen – gefrieren, somit fixiert und leichter zu entnehmen sind. Zudem schützt das gefrorene Erdreich die Bohrlochwandung; das ist vor allem in lockeren, sandigen Böden von Vorteil, in die Schadstoffe leicht eindringen. Überdies können sogenannte kryogene Barrieren die Ausbreitung von Schadstoffen im Untergrund verhindern.

Das Erdreichgefrieren ist eine seit über 100 Jahren bekannte Technik im Schacht-, Gruben- und Tunnelbau, um Einbrüche von Erde oder Wasser zu verhindern, wenn das Absenken des Grundwassers oder andere konventionelle Maßnahmen nicht anwendbar sind. Meist erzeugt man die Kälte durch Salzlösungen, die in einem geschlossenen Kühlkreislauf in das Erdreich gepumpt werden. Eine neuere Entwicklung sind gekühlte technische Gase wie Stickstoff, die durch doppelwandige, in den Boden gerammte Lanzen vor Ort gelangen. Das Verfahren ist kostengünstiger; sein Anwendungsspektrum reicht vom provisorischen Abdichten schadhafter Abwasserleitungen bis zu Eisbarrieren für Tiefbauarbeiten (Bild 6).

Die Richtbohrtechnologie ermöglicht es Bauunternehmen, Versorgungsleitungen für Strom, Gas und Wasser von der Hauptleitung zu Häusern zu installieren, ohne mit Gräben den Verkehr auf Straßen und Gehwegen zu stören. Dafür wurde ein neuartiger Schlagkopf zum Vortrieb des Meißels entwickelt, der eine einseitig abgeschrägte Keilform hat. Er ist mit spiralig angeordneten Rippen versehen, die ihn bei der Vorwärtsbewegung durch das Erdreich rotieren lassen. Wird er mit dem Meißel verklammert, rotiert dieser mit und erzeugt ein gerades Bohrloch. Läßt man den Meißel hingegen frei laufen, wird er vom Schlagwerk nur vorwärts getrieben, und entsprechend seiner Schrägung ist die Bohrung dann geneigt. Von der Erdoberfläche kann der Bohrmeister mit einer Sensoreinheit die Position des Meißels lokalisieren und seine Verbindung zum Schlagkopf umstellen und so die Richtung des Bohrlochs Meter für Meter steuern.

Eine andere Vorrichtung, um Röhren für Versorgungsleitungen zu bohren, arbeitet mit Düsen, aus denen Flüssigkeit (Frischwasser oder Spülschlamm) mit einem Druck bis zu 25 Millionen Pascal austritt. Damit lassen sich fast alle Böden durchdringen, während Beton, Leitungen und Kabel unbeschädigt bleiben – ein Vorteil vor allem in dicht besiedelten Gebieten. Der Schlamm überzieht und versiegelt die Bohrlochwand und reduziert die Gefahr eines Kollapses. In besonders widerstandsfähigem Terrain kann der Stahlkopf mit Zähnen aus Wolframcarbid bestückt werden und die Düsen bohrend unterstützen. Gesteuert wird das System durch Abwinkeln der Düsen; die genaue Position läßt sich mit einem tragbaren Detektor bis in eine Tiefe von zehn Metern ermitteln und regeln – weit genug unter dem bereits existierenden Leitungsnetzwerk. Die Kosten entsprechen in etwa denen anderer Richtbohrverfahren.

In naher Zukunft dürften neuartige Systeme dem Bohrmeister ermöglichen, den Meißel sogar ohne vorherige Erkundung der Bohrstrecke zu steuern. Auch die Mineralölindustrie profitiert von weiteren Innovationen. In Kalifornien beispielsweise befürworten Manager der Branche, örtliche Verwaltungen und Umweltschützer gleichermaßen das Projekt, eine Bohrinsel an der Küste vor Santa Barbara zu demontieren und das Erdöl des South-Elwood-Feldes statt dessen mit produktiveren landseitigen Richtbohrungen zu fördern. Weitere Off- shore-Bohrungen sowie der Verkehr von Tankern und Versorgungsschiffen erübrigten sich; das Risiko einer Meeresverschmutzung wäre gebannt. Richtbohrtechniken sind somit in vielen Bereichen nicht nur effizienter, sondern auch sicherer und umweltfreundlicher.

Literaturhinweise

- Directional Drilling. Society of Petroleum Engineers Reprint Series No. 30, 1990.

– Horizontal Drilling. Society of Petroleum Engineers Reprint Series No. 33, 1991.

– The Prize: The Epic Quest for Oil, Money and Power. Von Daniel Yergin. Simon & Schuster, 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1994, Seite 52
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