Druckluftkühlung für Bohrmeißel: Die Trockenbohrlösung, auf die Kohlebergwerke gewartet haben

Wer schon mal auf einer Kohlebohrstelle gearbeitet hat, kennt das Geräusch. Die Bohranlage dreht sich, die Gestänge werden vorgeschoben – und dann ist plötzlich alles still. Ein festsitzendes Bohrgestänge. Ein durchgebrannter PDC-Schneidkopf. Die halbe Schicht futsch. Man zieht den Bohrmeißel heraus und was findet man vor? Die Schneidfläche ist versengt, die Nuten sind mit nassem, verhärtetem Bohrklein verstopft, und das Bohrgestänge sieht aus, als hätte es einen Krieg überstanden.

Das kommt häufig vor. In weichen, brüchigen oder wasserempfindlichen Kohleflözen verursacht das herkömmliche Spülbohren mit Wasser ebenso viele Probleme, wie es löst. Das Wasser lässt das Gestein aufquellen. Durch das Aufquellen wird das Bohrloch eingeengt. Das Bohrloch klemmt das Gestänge ein. Und plötzlich hat man es mit einem festsitzenden Bohrgestänge, einem zerstörten Bohrmeißel und einer Mannschaft zu tun, die darauf wartet, dass die Bohranlage wieder einsatzbereit ist.

Druckluftkühlung für Bohrer revolutioniert das Verfahren. Kein Wasser. Kein Aufquellen. Kein Festfressen des Bohrgestänges. Hochgeschwindigkeitsluft erledigt drei Aufgaben gleichzeitig: Kühlung des Bohrers, Abtransport des Bohrkleins und Trockenhalten des Bohrlochs.

Warum Wasser zum Problem und nicht zur Lösung wurde

Seit Jahrzehnten ist die Wasserspülung die Standardmethode zur Kühlung von Bohrmeißeln und zum Abtransport des Bohrkleins beim Untertagebohren. Sie funktioniert gut – bis sie es nicht mehr tut. Die Probleme treten in bestimmten geologischen Formationen auf, und leider gehören Kohleflöze genau zu denjenigen, die wasserbasierte Systeme am stärksten beeinträchtigen.

Weicher Tonstein quillt bei Wasserkontakt auf. Schiefer zerfällt zu einer Paste. Und wenn die Zirkulation abbricht oder das Bohren eingestellt wird, setzen sich die nassen Bohrspäne ab und härten um das Bohrgestänge herum wie minderwertiger Beton aus. Die Frühschicht rückt an, startet die Anlage, und das Gestänge rührt sich nicht. Jetzt heißt es fischen – oder schlimmer noch, das Loch neu bohren.

Dann ist da noch der Bohrmeißel selbst. PDC-Schneidwerkzeuge erzeugen intensive Reibungshitze an der Gesteinswand. Ohne gleichmäßige Kühlung steigen die Temperaturen an der Schneide auf über 350 °C. Die Diamantplatte oxidiert. Das Hartmetallsubstrat erweicht. Die Schneide bricht ab. Ein Bohrmeißel, der für 300 Meter ausgelegt ist, kann schon nach 80 Metern verschlissen sein, und niemand an der Oberfläche merkt es, bis die Bohrgeschwindigkeit rapide abfällt.

So funktionieren Druckluft-Kühlbits: Drei Dinge gleichzeitig

Das Designkonzept ist einfach, doch die Umsetzung unterscheidet effektive Bohrer von Marketingtricks. Der Bohrerkörper verfügt über interne Luftkanäle, die Druckluft – typischerweise mit 0,7 bis 1,2 MPa – durch präzisionsgefertigte Düsen an der Bohrerspitze leiten. Jede Düse hat einen Durchmesser von maximal 2 mm. Beim Austritt aus dieser kleinen Öffnung wird die Druckluft zu einem Hochgeschwindigkeitsstrahl beschleunigt, der direkt auf die Schneidzone gerichtet ist.

Das bewirkt drei Dinge gleichzeitig.

Erste, gezielte KühlungDer Luftstrahl führt die Hitze in Echtzeit von der Schneidfläche des PDC-Schneidkopfes ab und hält so die Diamantplatte weit unterhalb ihrer Verschleißgrenze. Durch den Verzicht auf Wasser wird ein Temperaturschock durch abwechselndes Erhitzen und Abschrecken vermieden – ein Vorgang, der bei wiederholten Zyklen zu Mikrorissen in den Schneidköpfen führt. Ein mit Druckluftkühlung betriebener Schneidkopf kann in vergleichbaren Gesteinsformationen eine zwei- bis dreimal längere Lebensdauer haben als ein wassergekühlter.

Zweite, hocheffiziente Entfernung von SchnittgutEin Druckluftbohrmeißel befördert das Bohrklein nicht nur, sondern schleudert es förmlich heraus. Die nach oben gerichtete Luftgeschwindigkeit im Ringspalt zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand erzeugt genügend Auftrieb, um die Späne selbst aus tiefen horizontalen oder schrägen Bohrlöchern abzutransportieren. In der Praxis berichten Anwender von einer vier- bis fünffach höheren Förderleistung im Vergleich zu herkömmlichen Druckluftbohrmeißeln. Der Unterschied ist bei wasserführenden Systemen in zähflüssigen Gesteinsformationen noch deutlicher.

Dritte, echtes TrockenbohrenKein Wasser in irgendeiner Phase. Das bedeutet, dass Formationen, die bei Kontakt mit Feuchtigkeit aufquellen, stabil bleiben. Beim Bohrstopp setzt sich kein Bohrschlamm um das Bohrgestänge ab. Beim Wiederanfahren muss keine Zementverbindung gelöst werden. Bei Gasförderbohrungen ergibt sich ein weiterer Vorteil: Keine Wasserverunreinigung im Methanförderweg, was die Förderraten über die gesamte Lebensdauer des Bohrlochs erhöht.

Wo diese Teile ihre Stärken wirklich ausspielen

Nicht jedes Bohrloch benötigt Druckluftkühlung. Bei hartem, trockenem und festem Gestein mit gutem Bohrkleinabtransport funktionieren herkömmliche Luft- oder sogar Wasserspülbohrkronen einwandfrei. Unter bestimmten Bedingungen ist diese Bauart jedoch praktisch unerlässlich:

• Weiche, wasserempfindliche Formationen — Schlammstein, Tonstein, quellfähiger Schiefer. Wasser verwandelt diese in Klebstoff.

• Tiefbohrungen zur Entwässerung von Kohleflözgas — lange Bohrlöcher, in denen sich Bohrklein über eine gewisse Distanz ansammelt und in denen Wasser im Bohrloch die Methandurchlässigkeit verringert.

• Schräg- und Aufwärtsbohrungen — Löcher mit negativem Winkel, bei denen sich Wasser und Bohrgut an der Bohrlochwand sammeln, anstatt abzufließen. Druckluftstrahlen hingegen sind von der Schwerkraft unbeeinflusst.

• Explorationsbohrungen in geklüftetem Boden — wo der Durchflussverlust die Aufrechterhaltung der Wasserspülung unmöglich macht.

Die Bohrmeißel werden üblicherweise auf hydraulischen Untertagebohranlagen der Serien ZYWL und ZDY eingesetzt und sind mit Standard-Bohrgestängeanschlüssen kompatibel – außer dem Bohrmeißel selbst sind keine speziellen Werkzeugänderungen erforderlich.

Worauf Sie bei der Auswahl eines solchen Produkts achten sollten

Nicht alle Druckluftkühlungskomponenten sind gleich. Hier sind die Punkte, die Sie vor dem Kauf überprüfen sollten:

Düsenkonfiguration. Eine einzelne zentrale Düse sorgt nicht für eine gleichmäßige Kühlung aller Schneidkanten. Achten Sie auf Fräser mit mehreren, über die Stirnfläche verteilten Düsen, die auf die primären Schneidzonen ausgerichtet sind. Auch der Düsendurchmesser ist wichtig: Unter 2 mm erreichen Sie die benötigte Strahlgeschwindigkeit, bei zu kleinem Durchmesser besteht jedoch die Gefahr von Verstopfungen durch Feinstaub.

Werkstoff und Härtung. Ein Bohrerkörper, der unter starker Luftströmung von innen verschleißt, wird frühzeitig ausfallen. Hochwertige Bohrer verwenden gehärtete Stahlkörper mit internen Kanälen, die entweder aus dem Vollen gefräst (nicht gegossen) oder mit verschleißfesten Einsätzen ausgekleidet sind.

Schneidkopf-Niveau und -Anordnung. Die Qualität der PDC-Fräser ist beim Trockenbohren noch wichtiger, da kein Wasser die Temperaturschwankungen abfedern kann. Achten Sie auf Fräser mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 500 °C und berücksichtigen Sie den Spanwinkel – ein leicht negativer Spanwinkel ist in geklüftetem Boden stoßfester als ein neutraler oder positiver.

Qualität der Gewindeverbindung. Die durch Luftpulsationen im Bohrmeißel entstehenden Stoßbelastungen können bei längeren Bohrungen zu gelösten Verbindungen führen. API-konforme Gewinde mit entsprechender Wärmebehandlung am Muffenende verhindern ein Lösen der Verbindung in der Bohrlochmitte.