Aufgaben von Bohrungen

Der Aufgabenbereich von Bohrungen in der Erde ist sehr vielfältig und bestimmt tagtäglich das Leben vieler Menschen. Generell dient eine Bohrung immer dem Aufschluss verdeckten Untergrundes. Je nach der Zielstellung einer Bohrung, wird die Art dieser Bohrung bestimmt.

Erkundungsbohrungen

Als erstes seien hier die Erkundungsbohrungen genannt.
Sie decken ein weites Spektrum ab und dienen vorrangig der Exploration von Rohstoffen, aber auch zu Forschungszwecken. Anwendungsbeispiel sind hier u.a. hydrogeologische Bohrungen, die dazu dienen, Grundwassermessstellen (GWM) anzulegen. Hierzu wird meist eine Kernbohrung mit Hilfe des Rotary-Verfahrens verwendet (Erläuterung siehe unten). Bemerkt sei nur, dass durch dieses Verfahren die Bohrlochwand nicht verdichtet wird und somit auch der so wichtige Grundwasserzufluss garantiert bleibt. Weitere Beispiele für Erkundungsbohrungen wären die schon erwähnten Rohstoffexplorationen etwa für die Steine-und-Erden-Industrie oder zur Lagerstättenerkundung von Salzen, Erzen und Kohlenwasserstoffen (Erdgas, Erdöl).

Kartierungsbohrungen

Einen zweiten Bereich stellen Kartierungsbohrungen dar, die helfen sollen, den geologischen Bau eines Gebietes zu klären. Anhand der Bohrungen können dann Aussagen über Bodenbeschaffenheit, Gesteine und deren Lagerungsformen gemacht werden. Neben dieser strukturgeologischen Seite können aber auch Antworten auf die tektonischen Bedingungen des untersuchten Gebietes gefunden werden. Mit den gewonnenen Daten werden dann verschiedenste geologische und thematische Karten erstellt, z.B. das “Messtischblatt”, der Grundkarte im Maßstab 1:25.000 oder aber auch Bodenkarten, ingenieurgeologische und hydrogeologische Karten (1:50.000).

Die verwendeten Bohrmethoden hängen natürlich stark vom Untergrund vor Ort ab und von der gewünschten Tiefe. So erreicht ein einfaches Bodenstechrohr, das in den Boden gerammt wird, nur sehr geringe Tiefen im Zentimeterbereich. Eine ähnliche Methode unter Benutzung einer Peilstange, die mit einem Hammer in den Boden gestoßen wird, kommt 1 bis 3 Meter tief. Tiefen (in der Fachsprache auch “Teufen” genannt) von 2 bis mehrere 10er Meter schafft die Methode der Rammkernsondierung. Kartierungsbohrungen dringen dann schon in Bereiche von 100 bis mehreren 1000 Meter vor.

Baugrundbohrungen

Als weitere, dritte Bohrungsart ist die Baugrundbohrung zu nennen. Ziel ist es, ingenieurgeologische Probleme zu klären. So helfen die Bohrungen bei der Analyse der Gesteine und deren Verbreitung, aber auch bei der Feststellung ihrer petrophysikalischen Eigenschaften, die enorm wichtig für die eventuelle Bebauung der Erdoberfläche sind. Zwei zu überprüfende Eigenschaften des Untergrundes wären z.B. die Standfestigkeit für über und untertägige Bauwerke und die Durchlässigkeit (Permeabilität), die beispielsweise für die Anlage von Deponien oder Tiefgaragen eine entscheidende Rolle spielt. So wurde in den letzten Jahren in der sächsischen Stadt Zwickau eine 5-stöckige Tiefgarage unterhalb der Innenstadt geplant und auch mit dem Bau begonnen. Natürlich wurden vor Baubeginn Baugrundbohrungen durchgeführt – nur an den falschen Stellen. Denn laut Bericht wurden keine (für den Bau entscheidenden) Strörungszonen gefunden. Allerdings musste man beim Teufen der 4. Etage Wassereinbruch feststellen und den Bau stoppen. Zu allem Übel lief eine Störungszone durch das Baugebiet, die auch noch eine geringfügige Bewegung aufwies. An diesem Fall kann man sehen, wie wichtig die gewissenhafte und professionelle Arbeit eines Geowissenschaftlers ist.

Forschungsbohrung

Als vierte und für diesen Text letztvorgestellte Bohrungsart sei die Forschungsbohrung genannt. Sie dient, wie der Name schon sagt, der Erforschung des geologischen Untergrundes und dem Erkenntnisgewinn über die Regional- und Lokalgeologie sowie dem allgemeinen Aufbau der Erde. Hierbei werden mittlerweile oft auch 3D-Visualisierungsprogramme genutzt, die anhand der Bohrungsdaten die geologischen Strukturen eines Gebietes berechnen und einen phantastischen Einblick in die Erde ermöglichen. An dieser Stelle seien noch einige bekannte Bohrungen erwähnt, wie die Kola-Bohrung auf der Kola-Halbinsel (9.000-10.000 m Tiefe) und die KTB (Kontinentale Tiefbohrung) in Erdendorf/Pfalz (über 9.000 m). Auch weltweite Bohrungen werden koordiniert, wie beispielsweise das Ocean Drilling Project (ODC) oder das Continental Drilling Project (CDP).

Bohrverfahren

Die Vielfalt an Bohrverfahren ist enorm, was v.a. der Explorationsindustrie geschuldet ist, die schließlich neue Lagerstätten erkunden möchte und dabei auf neue Techniken angewiesen ist. Die große Anzahl der heutigen Verfahren lässt sich aber auf einige wenige grundlegende Prinzipien zurückverfolgen, die im Folgenden kurz erläutert werden sollen.

Seilschlagverfahren

Diese Methode ist wohl die einfachste überhaupt.
Dabei wird das an einem Seil befestigte Bohrwerkzeug periodisch aus einer bestimmten Höhe auf die Bohrlochsohle fallen gelassen. Natürlich gibt es auch von diesem Verfahren Modifikationen und Weiterentwicklungen, die aber letztendlich alle auf diesem Prinzip beruhen. Auch ist es wichtig, zwischen Seilbohren im Locker- oder im Festgestein zu unterscheiden. Für diese allgemeine Betrachtung der Bohrverfahren soll aber das Prinzip genügen.

Vorteile der Methode sind vor allem die geringen Bohrkosten, es werden keine Grundwässer oder Lagerstätten von Spülwässern beeinflusst, es ist ein nahezu senkrechter Bohrlochverlauf möglich und das Verfahren kann aufgrund der geringen Kosten und der Spülwasserfreiheit auch in strukturschwachen, armen Regionen der Welt eingesetzt werden.
Nachteilig bemerkbar machen sich v.a. der langsame Fortschritt, häufige Unterbrechung des Bohrprozesse zwecks Entfernung des Bohrkleins und die schlechte Probenqualität.

Trockendrehverfahren

Das Verfahren wird hauptsächlich in erdfeuchten, aber nicht wasserführenden Lockergesteinen angewandt. Als Bohrwerkzeuge werden v.a. Spiralen (im bindigen Lockergestein), sog. Krätzer (zum Aufreißen der Bohrlochsohle) und Schneckenbohrer verwendet. Letztere werden auch Hohlbohrschnecken genannt, wenn bei der Bohrung Kerne erzeugt werden sollen., die sich dann im inneren, hohlen Raum der Schnecke befinden. Das gebohrte Material (Bohrklein) wird durch die spiralige Form der Bohrwerkzeuge nach oben befördert.

Vorteile der Methode sind im kontinuierlichen Bohren ohne Notwendigkeit einer Spülung bei gleichzeitigem Kerngewinn zu sehen. Für das Bohren zur Einrichtung von Grundwassermessstationen eignet sich dieses Verfahren nur bedingt, da während des Bohrens das Nebengestein (Bohrlochwand) verdichtet wird. Ein weiterer Nachteil ist in der Anwendungsbreite zu sehen. Das Bohrenprinzip stößt bei harten Untergründen an seine Grenzen.

Rammkernverfahren

Das Verfahren beruht auf dem “Einrammen” eines Bohrwerkzeuges in den Untergrund. Meist geschieht dies mit Hilfe von Druckluft. Zur Kerngewinnung ist in das Gestänge eine rundliche Nut eingelassen, in die der Bohrkern gedrängt wird. Das Schlaggewicht bei druckluftbetriebenen Bohrhämmern bewegt sich zwischen 50 und 100 Kilogramm. Mit schweren Rammsonden können Tiefen bis zu 60 Meter erreicht werden. Es gibt auch kleinere Varianten der Rammkernsonden, sog. “Cobras”. Sie werden mit Benzinmotoren betrieben und bringen 10 bis 20 Kilogramm Schlaggewicht auf die Waage.

Vorteilhaft ist der hohe Bohrfortschritt sowie das kontinuierliche Bohren mit gleichzeitigem Kerngewinn. Nachteilig wirken sich z.B. das Verlaufen der Bohrlöcher (kein senkrechter Verlauf) aus. Auch ist eine sehr starke Zugwinde nötig, um das Gestänge wieder herauszuziehen. Gegebenenfalls kann es auch zu Kornumlagerungen durch die Schlageinwirkung kommen.

Rotary-Verfahren

Dieses Verfahren wird im Gegensatz zu den bereits vorgestellten Verfahren mit Spülung eingesetzt. Es ist das wohl am meisten angewendete Bohrverfahren, da es leistungsfähig bis in große Teufen vordringen kann. Besonderes Merkmal im Aufbau der Bohranlage ist der Drehtisch, der die Drehbewegung auf das Gestänge überträgt und auch das Absetzen und Austauschen der Bohrwerkzeuge und -Gestänge ermöglicht. Das häufigste Bohrwerkzeug ist der Zahnradmeißel, speziell der Drei-Rollen-Meißel, bei dem sich 3 gegeneinander gesetzte kegelförmige gezahnte Räder bewegen und die Bohrung effektiv vorantreiben. Für härteres Gestein werden oft auch Diamantkronen verwendet. Um Bohrkerne zu erzeugen, werden hohle Kernkronen eingesetzt.
Vorteilhaft ist, dass ungestörte Proben durch kontinuierliches Bohren mit hohem Bohrfortschritt gewonnen werden können. Außerdem ist praktisch jede technisch machbare Teufe erreichbar.
Nachteilig wirken sich Spülungsverluste und Bohrlochabweichungen aus. Außerdem muss die Spülung den sich immer wieder verändernden Bedingungen in zunehmender Tiefe (z.B. höhere Temperaturen) angepasst werden.
An dieser Stelle sind noch ein paar Worte zur Spülung an sich notwendig. Es wird generell zwischen Rechts- und Linksdrehverfahren unterschieden. Beim Rechtsdrehverfahren wird die Spülung über das Gestänge zum Bohrkopf und von dort wieder über den Ringraum (Raum zwischen Gestänge und Bohrlochwand) nach oben befördert. Das Linksdrehverfahren funktioniert genau andersherum. Die Spülung wird also über den Ringraum nach unten und über das Gestänge nach oben transportiert. Die Spülung dient zum einen dem Abtransport des Bohrkleins, zum anderen aber auch der Kühlung des Bohrwerkzeugs und der Stabilisierung des Nebengesteins. Der Druck der Spülungssäule muss den Lagerstättendruck ausgleichen, da sonst z.B. aus Lockergesteinen Gase austreten können, die die Bohrung gefährden. Zur Stabilisierung des Nebengesteins muss also die Spülung ein gewisses Gewicht haben. Zur Dichte- und damit auch zur Gewichtserhöhung werden der Spülung Suspensionsstoffe (z.B. Kreide oder Schwerspatmehl) zugesetzt, die ein Verkleben der porösen Lockergesteine ermöglichen und somit einen evtl. Gasaustritt verhindern.

Oft, wie in bei den Nachteilen bereits erwähnt, kommt es zu Bohrlochabweichungen, die durch die Drehbewegung des Bohrers und durch Härteunterschiede im Gestein verursacht werden. Es entstehen typische schneckenförmige Bohrlöcher. Diesem Effekt wirkt man mit hydraulischen Puffern entgegen, die die Richtung der Bohrung je nach Situation ausgleichen.

Vertikalbohrungen bringen oft nicht die erwünschte Ausbeute bei Explorationsbohrungen. Aus diesem Grund ist man teilweise auch zu Horizontalbohrungen übergegangen, die eine bessere Erreichbarkeit der Lagerstätte ermöglichen. Als weltweit führendes Beispiel ist das Ölbohrprojekt “Mittelplate” in der Nordsee anzuführen. Es existiert zwar eine Ölplattform im Meer, aber aufgrund von Umweltschutzbestimmungen konnten keine weiteren Plattformen aufgebaut werden. Deshalb musste in die Lagerstätte unter der Nordsee von Land aus horizontal gebohrt werden.

(Dieser Text ist am 09.02.2004 auf der alten Version von geoberg.de erschienen und wurde übernommen.)

Tags: Bohrverfahren, geologische Bohrungen

Dieser Eintrag wurde am Samstag, 12. Juni 2010 um 7:49 Uhr in der Kategorie Geotechnik veröffentlicht. Mit dem RSS 2.0 Feed kannst du den Antworten zu diesem Artikel folgen. Beides, Kommentare und Pings sind zurzeit geschlossen.