Die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG hat eine bahnbrechende Bohrtechnologie entwickelt, die kostengünstige Alternativen zur Untersuchung des Untergrunds bietet. Diese innovative Methode, bekannt als Micro Turbine Drilling (MTD®), ermöglicht es, seitliche Ablenkungen in bestehenden Bohrlöchern zu erzeugen, um geotechnische Untersuchungen durchzuführen. Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz dieser Technologie fand in Marl statt, wo das Team durch harte Gesteinsschichten bohrte, um Wasseruntersuchungen zu ermöglichen.
Im Rahmen dieses Projekts wurde das MTD®-Verfahren verwendet, um die Eigenschaften des Emscher-Mergels zu analysieren. Diese Tonschicht spielt eine entscheidende Rolle bei der Trennung von Grubenwasser und Trinkwasserhorizonten im Ruhrgebiet. Ziel der Untersuchungen war es, die vertikale Wasserdurchlässigkeit dieser geologischen Schicht zu bestimmen. Der Ausgangspunkt war ein bereits bestehender Messbrunnen mit einer Tiefe von etwa 350 Metern und einem Durchmesser von 14 Zentimetern. In dieser Tiefe war das Bohrloch jedoch mit einem Stahlrohr ausgekleidet, was die Verwendung herkömmlicher Bohrmethoden erschwerte.
Um dieses Hindernis zu umgehen, setzte das Team eine Mikro-Turbine ein, die lediglich fünf Zentimeter lang ist. Diese Turbine wird durch einen Druckwasserschlauch angetrieben und durchdringt mit hoher Drehzahl sowohl den Stahl als auch das Gestein. So konnten sechs seitliche Abzweigungen, sogenannte Micro-Sidetracks, mit einer Länge von bis zu einem Meter und einem Durchmesser von rund vier Zentimetern in Tiefen von 290 bis 330 Metern gebohrt werden. Diese kleinen Bohrungen stellen die Verbindung zwischen dem Brunnen und dem umgebenden Gestein wieder her und ermöglichen effiziente Tests zur Grundwasserströmung.
Die gewonnene Datenbasis ist für Wasserversorger von großer Bedeutung, da sie hilft, die Planungen für ihre Infrastruktur zu optimieren. Darüber hinaus unterstützen die Informationen die Einschätzung der Wirksamkeit geologischer Barrieren und tragen zu langfristigen Entscheidungen über Grubenwasserhaltung, Trinkwassergewinnung und die Nutzung von geothermischer Energie bei. Niklas Geißler, ein Entwickler der Technologie am Fraunhofer IEG, hebt hervor: „Mit dem MTD®-Verfahren schaffen wir eine technologische Grundlage, die das Umfeld von Bohrlöchern effizient und kostengünstig erschließt.“
Die MTD®-Technologie kombiniert das Bohren durch Stahl und Gestein in einem Schritt, was gezieltes Arbeiten im Untergrund ermöglicht. Diese Methode bietet neue Perspektiven für hydraulische Charakterisierungen und Monitoring an verschiedenen Stellen bestehender Brunnen. Das Projekt wurde im Auftrag der RAG-Aktiengesellschaft durchgeführt und erhielt Unterstützung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
Die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Arbeiten wurden in der Publikation „Field Testing of a Novel Micro Turbine Drilling Technology for Drilling Micro Sidetracks From an Existing Borehole Through Casing Into the Surrounding Clay Formation“ festgehalten. Diese Studie dokumentiert den ersten erfolgreichen Einsatz der MTD®-Technologie im Tonstein und zeigt deren Nutzen für geotechnische Untersuchungen auf.
Die Grundidee hinter der Micro Turbine Drilling-Technologie besteht in einer kompakten, weniger als fünf Zentimeter langen Mikro-Bohrturbine, die mit Wasserdruck betrieben wird. Ein Ablenkschuh führt die Turbine in der gewünschten Tiefe seitlich aus dem bestehenden Bohrloch. Mit einem diamantbeschichteten Bohrkopf wird das Gestein bei hoher Drehzahl zerkleinert, während das Bohrklein mit Wasser ausgespült wird. Die Bohrgeschwindigkeit variiert je nach Gesteinsart und liegt bei etwa einem Meter pro Stunde. Diese Technologie ist nicht nur effizient, sondern auch flexibel, da sie in verschiedenen Gesteinstypen eingesetzt werden kann, einschließlich kristalliner Hartgesteine, Sedimentgesteine und Evaporite.
Insgesamt bietet die MTD®-Technologie eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Lösung für die Herausforderungen der geotechnischen Untersuchung. Sie verbessert nicht nur die Wasserdurchlässigkeit von Gesteinen, sondern erleichtert auch das Management von Grubenwasser und die Entwicklung nachhaltiger Infrastrukturen im Ruhrgebiet und darüber hinaus.
