Eine neue Bohrtechnologie des Fraunhofer IEG soll geotechnische Untersuchungen im Untergrund erleichtern und bestehende Infrastrukturen besser nutzbar machen. Mit dem Verfahren Micro Turbine Drilling (MTD®) konnten in Marl seitliche Ablenk-Bohrungen in rund 300 Metern Tiefe erfolgreich aus bestehenden Brunnenbohrungen heraus erstellt werden. Die Methode unterstützt Wasserversorger beim Monitoring, eröffnet neue Möglichkeiten für das Grubenwassermanagement und kann auch für geothermische Anwendungen genutzt werden. Das wissenschaftliche Paper wurde im »SPE Journal« veröffentlicht.

»Die sichere Nutzung des Untergrunds wird für die Wasser- und Energiewirtschaft immer wichtiger. Stadtwerke brauchen verlässliche Datenräume, um Wärmeversorgung, Monitoring und Ewigkeitsaufgaben langfristig zu gestalten«, sagt Niklas Geißler vom Fraunhofer IEG. »Mit dem neuen MTD®-Verfahren schaffen wir eine technologische Basis, die das Umfeld von Bohrlöchern effizient und kostengünstig erschließt.«

Untersuchungen in großer Tiefe

Im Rahmen eines Projekts in Marl untersuchte das Fraunhofer IEG den Emscher-Mergel, eine Tonschicht, die im Ruhrgebiet als natürliche Barriere zwischen Grubenwasser und Trinkwasserhorizonten wirkt. Ziel war es, die vertikale Wasserdurchlässigkeit der Gesteinsschicht zu bestimmen. Als Ausgangspunkt diente ein rund 350 Meter tiefer Messbrunnen, der in der relevanten Tiefe bereits mit einem Stahlrohr ausgekleidet war. Zum Einsatz kam daher eine weniger als fünf Zentimeter lange Mikro-Turbine, die sich mithilfe von Wasserdruck durch Stahl und Gestein arbeitete.

Vorteile für Wasserversorger

Durch sechs seitlich abzweigende Bohrungen in Tiefen von 290 beziehungsweise 330 Metern konnte die Verbindung zwischen Brunnen und umliegendem Gestein wiederhergestellt werden. Dadurch wurden Untersuchungen zur Grundwasserströmung möglich, die für die Planung von Versorgungsinfrastrukturen wichtig sind. Die gewonnenen Daten helfen dabei, geologische Barrieren besser zu bewerten und Entscheidungen zur Grubenwasserhaltung, Trinkwassergewinnung und Geothermienutzung abzusichern.

»Micro Turbine Drilling (MTD®) kombiniert Bohren durch Stahl und Gestein in einem einzigen Schritt. Damit können wir gezielt im Untergrund arbeiten und Messpunkte oder Wasserwege schaffen, wo konventionelle Methoden scheitern würden«, erklärt Niklas Geißler, Entwickler der Technologie am Fraunhofer IEG. »Unser Verfahren eröffnet neue Optionen für hydraulische Charakterisierung und Monitoring an beliebigen Stellen bestehender Brunnen.«

Die Turbine (links) des Micro Turbine Drilling (MTD®) kann einen bestehenden Brunnenbau mit kleinkalibrigen Seitensträngen erweitern, um den Untergrund für Wasser durchgängiger zu machen. Quelle: Niklas Geißler/Fraunhofer IEG

Erster Einsatz erfolgreich dokumentiert

Die Feldarbeiten wurden im Auftrag der RAG-Aktiengesellschaft durchgeführt und durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Die wissenschaftliche Publikation dokumentiert den ersten erfolgreichen Einsatz der Technologie in Tonstein und zeigt deren Potenzial für geotechnische Untersuchungen.

Kern der Technologie ist eine Mikro-Bohrturbine, die über einen flexiblen Schlauch mit Wasserdruck angetrieben wird. Mithilfe eines Ablenkschuhs wird sie an der gewünschten Stelle seitlich aus dem bestehenden Bohrloch geführt. Der diamantbesetzte Bohrkopf zerkleinert das Gestein, während das Bohrklein mit Wasser ausgespült wird. Sensoren und Kameras überwachen den Prozess und ermöglichen präzises Arbeiten auch in engen Bohrlöchern.

Breites Anwendungsspektrum

Die Technologie erzeugt gezielt kleine Seitenbohrungen und vergrößert dadurch die Kontaktfläche zwischen Bohrloch und Gestein. Das verbessert die hydraulische Anbindung und ermöglicht genauere Aussagen über Durchlässigkeit und Barrierewirkung von Gesteinsschichten. Neben dem Grubenwasser- und Grundwassermanagement eignet sich das Verfahren auch für geothermische Anwendungen, den Lithiumbergbau aus Solen sowie untertägige Energiespeicher. Es kann in unterschiedlichen Gesteinsarten eingesetzt werden und kommt ohne klassische Bohranlage aus.