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Im süddeutschen Molassebecken wurden in den letzten 25 Jahren ca. 60 Bohrungen niedergebracht. Die Hälfte dieser Bohrungen wurde bereits vor 2009 abgeteuft, was insbesondere auf die hohe Bohraktivität in den Jahren 2008 und 2009 zurückzuführen ist. Allein in diesen beiden Jahren wurden 20 Bohrungen erfolgreich fertiggestellt. In dieser frühen Phase intensiver Bohraktivitäten gab es jedoch auch Herausforderungen: Die Bohrleistung war sehr unregelmäßig und einige Bohrungen wiesen später im Betrieb Schäden auf. Dennoch erwies sich diese Zeit als äußerst lehrreich. Durch die sorgfältige Analyse und Auswertung der gesammelten Daten konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, die in den Folgejahren zu erheblichen Verbesserungen führten.

Eine der wichtigsten Entwicklungen war die kontinuierliche Optimierung des Bohrprozesses. Durch den Einsatz modernster Bohrwerkzeuge und die Optimierung aller Bohrparameter konnte der Bohrprozess erheblich beschleunigt und das Bohrrisiko reduziert werden. Darüber hinaus wurden umfangreiche Maßnahmen zur Vermeidung von kollabierten Rohren durch Aufheizung und Druckabsenkung getroffen. Ein weiterer Meilenstein war die Einführung der Multilateralerschließung. Mit dieser Methode können mehrere Bohrungen von einer Stammbohrung abgezweigt werden, was zu einer besseren Anbindung der Lagerstätte und zu einer höheren Produktivität führt.

Eine wesentliche zukünftige Entwicklung im Raum München könnte vor allem eine deutliche Erhöhung der Reichweite von Bohrungen durch den Einsatz der sogenannten „Extended Reach Drilling“-Technologie sein. Da im innerstädtischen Bereich nur begrenzt Platz für Bohrstandorte zur Verfügung steht, wird es in Zukunft notwendig sein, den Erschließungsradius auf diese Weise zu vergrößern.

Anhand konkreter Projektbeispiele der Stadtwerke München werden diese wesentlichen Entwicklungen der letzten 15 Jahre, aber auch neue Herausforderungen vorgestellt.

Die Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie mit vielen Anwendungsmöglichkeiten für neue oder verbesserte Produkte. So gibt es inzwischen eine Vielzahl wirtschaftlicher Bereiche, die von der Nanotechnologie profitieren, z.B. Energie, Medizin, Maschinenbau und Bauwesen. Was macht Nanotechnologie so besonders und welche Potenziale gibt es speziell für die Geothermie? Dieser Fragestellung widmet sich das internationale ZIM-Netzwerk NanoGeoTherm mit Partnern aus Deutschland und Belgien.

Nanomaterialien bilden eine große Gruppe von Stoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die verschiedene Potenziale für den Energiesektor bieten (u.a. Steuerung der Wärmeleitfähigkeit, Sensorik …) und bei der Erreichung ambitionierter Klimaziele helfen können. Ziel des Netzwerks ist es diese Potenziale für die Geothermie nutzbar zu machen und optimierte Erdwärmesonden in der oberflächennahen Geothermie zu entwickeln. Nanomaterialien, wie z.B. Carbon Nanotubes (CNTs) werden bereits großtechnisch in industriellen Anwendungen eingesetzt und erste Studien des Netzwerks belegen dieses Potenzial auch für den Einsatz in der Geothermie. Bspw. können die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit gezielt durch die professionelle Einarbeitung von CNTs eingestellt werden. Neben der Effizienzsteigerung ermöglicht dies auch Monitoring im laufenden Betrieb. Um eine Unbedenklichkeit des Einsatzes von CNTs sicherzustellen, wurden in einer ersten Durchführbarkeitsstudie – neben den zentralen Gesichtspunkten „Verarbeitungseigenschaften“ und „Materialeigenschaften“ – auch sicherheitsrelevante Aspekte (Ökotoxikologie) untersucht. Hierfür wurden anhand eines Funktionsmusters zunächst verschiedene Freisetzungsszenarien definiert bzw. untersucht (1. Abrieb kleinster Kunststoffpartikel bei der Installation; 2. Auswaschung von CNTs im Betrieb) und anschließend die Auswirkung auf geeignete Organismen getestet (u.a. Grünalgen, Leuchtbakterien, Wasserflöhe und Bachflohkrebse). Die verwendeten CNTs zeigten dabei sowohl in reiner Form als auch als Kunststoffkomposite keine Auswirkungen auf die Organismen.

Für die Entwicklung eines ganzheitlichen Monitoringkonzepts von Tiefengeothermie-Anlagen mit Hilfe von Glasfasersensorik und Tracer-Technologie, startete 2022 das Forschungsprojekt GFK-Monitor. Übergeordnetes Ziel ist es, die Produktions- und Betriebssicherheit von Geothermieanlagen und ihre Effizienz zu erhöhen sowie potentielle Umweltauswirkungen durch Geothermieanlagen zu minimieren bzw. zu vermeiden. So wird eine nachhaltige und sorgsame Bewirtschaftung des Reservoirs ermöglicht, um eine wirtschaftlich und ökologisch effiziente Nutzung der Tiefengeothermie zu gewährleisten. Konkrete Themenfelder sind dabei die Überwachung der Integrität von Verrohrung und Zementation, Monitoring der Tiefenpumpe und die Untersuchung der elastischen Reservoireigenschaften (Mikroseismizität/Subsidenzanalyse) sowie der thermisch-hydraulischen Eigenschaften des Reservoirs (Dynamik und Interaktion mit anderen Bohrungen). Dafür wurden bereits 2019, im Rahmen der Geothermie-Allianz Bayern (GAB), Glasfaserkabel in 2 Bohrungen des Geothermiestandorts „München Schäftlarnstraße“ im bayrischen Molassebecken installiert, welche in GFK-Monitor durch ein weiteres Kabel in einer Injektionsbohrung ergänzt werden.

Die Glasfaserkabel Technologie eignet sich für ein vielseitiges Monitoring in allen zuvor genannten Bereichen. Der einzigartige Vorteil dieser faseroptischen Messungen gegenüber konventionellen Messmethoden ist, dass diese die Möglichkeit bieten, kontinuierlich in Zeit und Raum hoch aufgelöste Daten von Temperatur (DTS) und Akustik (DAS) sowie durch die Integration von weiteren Sensoren auch Daten z.B. des Drucks auf unterschiedlichen Tiefen entlang der gesamten Bohrstrecke während des Betriebes liefern zu können. Es werden Zwischenergebnisse des laufenden Projekts aus den verschiedenen Bereichen vorgestellt. Schwerpunkte sind dabei die Bohrungsintegrität (faseroptische Überwachung der Zementation und Verrohrung), Monitoring der Pumpe über DAS und DTS, Ableitung elastischer Reservoireigenschaften und thermisch hydraulischer Eigenschaften (Zuflusszonenmonitoring).

"Directional Steel Shot Drilling" (DSSD), eine neuartige „Stahlkugel-Richbohrtechnologie“ entwickelt von Canopus Drilling Solutions B.V., bietet eine innovative Lösung zur Verbesserung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit von Geothermiebohrungen. Herkömmliche Bohrungen sind häufig von Unsicherheiten in Bezug auf die Reservoirqualität betroffen, was zumeist auf geringe Durchlässigkeiten des Reservoirbereiches zurückzuführen ist. Das DSSD-System ermöglicht die Konstruktion von Multilateralbohrungen, um den Herausforderungen der Reservoirheterogenität zu begegnen. Es kombiniert Bohren mit Stahlkugeln unter erhöhtem Druck mit einem rotierenden Richtbohrsystem und soll so die Erstellung von Multilateralbohrungen vereinfachen. Im Rahmen des EU GEOTHERMICA-Projekts "DEPLOI the HEAT" wurde die Technologie umfangreich getestet und soll später in einer Geothermiebohrung in den Niederlanden eingesetzt werden.

Im ersten Projektjahr legte Canopus Drilling Solutions den Grundstein für die Entwicklung des Systems und erstellte erste Konzepte sowie einen Prototyp. In Zusammenarbeit mit WEP und dem Rijswijk Centre for Sustainable Geo-Energy (RCSG) der TNO wurden umfangreiche Tests und Optimierungen durchgeführt. Ein Feldversuch fand im Versuchsstollen Hagerbach (VSH) in der Schweiz statt und wurde unter Leitung der ETH Zürich gemeinsam mit WEP, der SCHENK AG, WellGuidance, TorqueWavez und SiG durchgeführt. Dabei wurden mehrere Richtbohrungen mit dem DSSD-System erstellt und vermessen, um den Fortschritt, die Bohrlochqualität und den Steuermechanismus zu untersuchen.

Die Präsentation beinhaltet eine Einführung in die DSSD-Technologie und erläutert das Design des Bohrstrangs. Es werden die Ergebnisse der Werksabnahmeprüfung vor dem Feldversuch sowie erste Ergebnisse des Feldversuchs präsentiert. Die Vorteile von Multilateralbohrungen zur Steigerung der Produktivität und Sicherheit werden diskutiert, ebenso wie das weitere Entwicklungs- und Testprogramm im Rahmen des "DEPLOI the HEAT" Projekts.

Bei der Förderung von Thermalwässern, Trinkwasser sowie Erdöl und Erdgas aus Tiefbohrungen werden neben den gewünschten Rohstoffen meist auch Begleitstoffe in gelöster oder fester Form zutage gefördert. Durch die erhebliche Senkung von Druck und Temperatur im Förderstrang kommt es zu Ausfällungen und Ablagerungen dieser Stoffe in den Rohren. Es bilden sich sogenannte Scales. Diese können aus mehreren Schichten und Komponenten bestehen. Die Förderung kann durch das Scale-Wachstum innerhalb kurzer Zeit erheblich beeinträchtigt und die Wirtschaftlichkeit der Anlage entsprechend gefährdet werden. Außerdem kann es zu einer wesentlichen Erhöhung des Rohreigengewichts kommen.

Bis heute sind die Möglichkeiten zur Beseitigung von Scales auf chemische und mechanische Verfahren begrenzt und teilweise sehr ineffektiv. Beide Verfahren haben in Abhängigkeit vom Ort des Auftretens der Scales und deren physikochemischen Eigenschaften eigene spezifische Einsatzgebiete. Besonders schwer sind z. B. Baryt (BaSO4) oder Galenit (PbS) Ablagerungen zu entfernen. Sie sind sowohl gegenüber chemischen als auch mechanischen Verfahren sehr widerstandsfähig. Deshalb ist eine Weiterentwicklung der vorhandenen Methoden bzw. die Entwicklung neuer Methoden zur schnelleren und effektiveren Entfernung von Ablagerungen erforderlich. Ein gänzlich neuer Ansatz zum Entfernen mineralischer Scales stellt dabei das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) dar.

Beim EIV werden Hochspannungsentladungen genutzt, um die Scales zu lösen. Es handelt sich hierbei um eine Weiterentwicklung eines Verfahrens aus der Tiefbohrtechnik, mit dem Hartgestein effektiver als bisher erbohrt werden kann. In dem vom BMWi geförderten Projekt „Entwicklung und in-situ Erprobung eines EIV-Bohrsystems (ISEB)“ wurde ein entsprechendes Bohrsystem als Prototyp entwickelt. Diese Technologie kann, durch entsprechende Anpassung, grundsätzlich auch für Aufwältigungsarbeiten eingesetzt werden.

In dem BMWI geförderten Projekt „Elektro-Impuls-Verfahren zur Aufwältigung eines mit Scales verengten Bohrloches“ mit dem Kurztitel EVA (IGF Vorhaben Nr.: 21674 BR) wurde ein erster Prototyp zur Scaleentfernung entwickelt und aufgebaut. Die Stromversorgung ist bei diesem System gegenüber dem bereits entwickelten Bohrsystem deutlich einfacher, da bei Work-Over-Arbeiten ein Stromversorgungskabel mitgeführt und die Ladespannung obertägig zur Verfügung gestellt wird. Somit ist keine untertägige Stromerzeugung erforderlich, und lediglich der Impulsspannungsgenerator zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse notwendig.

Im Rahmen von Versuchen vor Ort mit dem EVA-Mobil konnten erste Erfolge zur Scaleentfernung an Rohren erzielt werden. Daraufhin wurden Versuche mit dem EVA-Prototyp an realen Rohrproben mit Scaleanhaftungen und einem zugesetzten Sandfilter geplant und durchgeführt.

Der Beitrag behandelt die erreichten Ziele des Projektes EVA und die Projektweiterführung, sowie die Herausforderungen, Durchführung und Ergebnisse der ersten Tests mit dem Prototyp.