Geologische Bohrgestänge brechen nicht einfach so – sie werden durch Fehlentscheidungen vor Beginn der Bohrarbeiten zerstört.

Ein geologisches Bohrgestänge – wie es bei Horizontalbohrungen, geotechnischen Untersuchungen und der Verlegung von Versorgungsleitungen eingesetzt wird – ist nicht den extremen Belastungen eines Schlagbohrgestänges ausgesetzt. Es wird nicht fünfzig Mal pro Sekunde mit Hämmern bearbeitet. Es rotiert und zieht sich, manchmal über Tausende von Metern durch Erde, Gestein und alles dazwischen.

Wenn eine Bohrstange bricht, ist das selten eine plötzliche metallurgische Überraschung. Es ist das Ergebnis von Entscheidungen, die Tage oder Wochen zuvor getroffen wurden – bei der Geräteauswahl, der Stangenklassifizierung und der Planung des Aufweitens. Hier erfahren Sie, wo diese Brüche ihren Ursprung haben und wie Sie sie verhindern können, bevor die Stange überhaupt in den Boden gelangt.

Sorgen Sie dafür, dass Bohranlage und Werkzeug vor der Mobilisierung bereit sind

Der teuerste Grund für einen Gesteinsbruch ist der, der durch den Einsatz ungeeigneter Ausrüstung verursacht wird. Bevor auch nur ein einziges Gesteinsrohr auf den LKW verladen wird, muss jemand den geotechnischen Bericht gründlich lesen – nicht nur überfliegen, sondern komplett durchlesen. Wie sieht das Bodenprofil aus? Wo befinden sich die Kiesschichten? Gibt es Felsgestein und in welcher Tiefe? Wie steht es um den Grundwasserspiegel?

Die Antworten entscheiden darüber, ob die geplante Bohranlage, das Spülsystem und das Gestänge für die Bohrung geeignet sind. Eine Anlage, die ideal für weiche Tonböden ist, zerstört die Gestänge beim Versuch, unerwartete Felsbrocken zu durchdringen. Ein für Sandböden konzipiertes Spülsystem hält ein Bohrloch in Kies nicht offen. Die Gestänge werden jedes Mal stark beansprucht, wenn die Ausrüstung nicht an den Untergrund angepasst ist.

Die Projektspezifikationen und die vom Auftragnehmer vorgeschlagene Geräteliste müssen vor Beginn der Arbeiten mit den geotechnischen Daten abgeglichen werden. Bei Abweichungen muss der Geräteplan angepasst werden – man sollte nicht darauf hoffen, dass der Boden besser ist als im Bericht angegeben.

Wählen Sie die Ruten anhand der Nummern, nicht anhand des Katalogs.

Die Auswahl von Bohrgestängen für geologische Bohrungen folgt einer anderen Logik als die Auswahl von Bohrgestängen für Gesteinsbohrungen. Die dominierenden Belastungen sind Drehmoment und Zugkraft, nicht die Stoßbelastung. Das Bohrgestänge, das beim letzten Einsatz funktioniert hat, ist möglicherweise für diesen Einsatz völlig ungeeignet.

Drehmomentkapazitätsregel:Das Nenndrehmoment des Bohrgestänges sollte mindestens doppelt so hoch sein wie das maximale Ausgangsdrehmoment der Bohranlage. Dies dient nicht der Sicherheit des Bohrgestänges selbst, sondern der Absicherung gegen unvorhergesehene Ereignisse. Hindernisse im Untergrund, enge Kurvenradien und Bohrlochkollaps können Drehmomentspitzen verursachen, die über die stationäre Bohrlast hinausgehen. Ein Bohrgestänge, das unter normalen Bedingungen mit 90 % seines Nenndrehmoments betrieben wird, bietet keinerlei Spielraum für solche Drehmomentspitzen.

Gütestandard für Stäbe:Jede in einem Projekt verwendete Stange muss gemäß SY/T 5824 oder einer gleichwertigen Norm bewertet werden – gemessen, geprüft und nach Verschleißzustand und Einsatzgeschichte klassifiziert werden. Nicht bewertete Stangen in einer Reihe sind unberechenbar. Unberechenbare Stangen versagen.

Verwaltungsunterlagen:Jede einzelne Bohrstange muss dokumentiert werden. Gebohrte Meter, auftretende Zugkräfte, Inspektionsergebnisse, Gefälleänderungen im Laufe der Zeit. Eine Bohrstange, die fünf Bohrungen mit maximalem Zug durchlaufen hat, ist nicht mehr dieselbe wie bei ihrem ersten Einsatz. Ohne Aufzeichnungen kann man nur raten.

Stressanalyse:Bei kritischen Bohrungen – langen Querungen, großen Durchmessern, schwierigen geologischen Verhältnissen – identifiziert die Finite-Elemente-Analyse (FEA) des Bohrgestänges unter den zu erwartenden Belastungen Schwachstellen vor Beginn der eigentlichen Bohrung. Die Übergangszone direkt hinter dem Aufweitbohrer weist typischerweise die höchste Spannung auf. Die FEA zeigt genau, wo sich die Spannung konzentriert und ob das Bohrgestänge dieser Belastung standhält.

Dickwandige Übergangsstangen:Platzieren Sie zwei bis drei dickwandige Bohrstangen direkt hinter der Aufweitbohrkrone. Diese Stangen überbrücken den Durchmesserübergang zwischen Aufweitbohrkrone und Standard-Bohrgestänge. Die Aufweitbohrkrone erzeugt das höchste Drehmoment und die unregelmäßigste Belastung im gesamten Bohrgestänge – diese Übergangsstangen absorbieren diese Belastung und schützen die dahinter liegenden Standard-Bohrgestänge.

Das Pilotloch sollte dort bleiben, wo es hingehört.

Abweichungen im Pilotbohrloch sind die Hauptursache für überraschend viele Pleuelstangenbrüche. Ein vom Sollbogen abweichendes Bohrloch erzeugt enge Biegeradien, die für Pleuelstangen nicht ausgelegt sind. Die Biegespannung in Pleuelstangen, die sich durch einen engeren Biegeradius als den vorgesehenen drehen, führt zu einer beschleunigten Zunahme der Ermüdungszyklen.

Die Regel: Die Abweichung des Pilotlochs von der Auslegungskurve darf 1 % der Spannweite nicht überschreiten. Bei einer 300 Meter langen Bohrung sollte der Abstand maximal 3 Meter vom geplanten Verlauf betragen. Weicht das Pilotloch stärker ab, darf es nicht akzeptiert werden, und man darf nicht darauf hoffen, dass der Aufreibvorgang es begradigt. Das Pilotloch muss korrigiert werden, sonst wird die Stangenkonstruktion beschädigt.

Die Abnahme des Pilotlochs muss formell erfolgen – vermessen, dokumentiert und vom Ingenieur oder Bauherrn vor Beginn des Aufweitens freigegeben werden. Das Aufweiten eines mangelhaften Pilotlochs führt lediglich zu Materialzerstörung durch einen größeren Schneidkopf.

Lerne schrittweise, nicht mit einem Sprung

Bei großen Endbohrungsdurchmessern – über 400 Millimetern – erfolgt der Übergang vom Pilot- zum Enddurchmesser nicht in einem Arbeitsgang. Dies führt zu einem massiven Sprung in der Schnittbelastung, dem Drehmomentbedarf und dem Bohrkleinvolumen. Die Gestänge an der Spitze des Bohrstrangs sind Belastungen ausgesetzt, die weit über ihre Auslegungsgrenzen hinausgehen.

Die wissenschaftliche Vorgehensweise: Der Durchmesser wird schrittweise erhöht. Ein typischer Ablauf beginnt mit einer Aufweitbohrkrone im Bereich von 200–240 mm, dann wird der Durchmesser in jedem Durchgang um etwa 200 mm erhöht, bis zum endgültigen Durchmesser. Jeder Durchgang entfernt eine überschaubare Materialmenge. Nach jedem Durchgang kann das Spülsystem das Bohrklein entfernen, bevor die nächste, größere Aufweitbohrkrone zum Einsatz kommt. So bleiben die Bohrgestänge stets innerhalb ihres Nennlastbereichs.

Der schrittweise Ausbauplan sollte die Rückzugskapazität der Bohranlage, die Durchflussrate und Feststoffförderkapazität des Spülungssystems, die Drehmoment- und Zugfestigkeitsgrenzen des Gestänges sowie die Reaktion der Formation auf das Aufweiten berücksichtigen. Wird ein Arbeitsschritt aus Zeitgründen übersprungen, führt dies letztendlich zu Ausfällen des Gestänges.

Beobachten Sie die Messgeräte während des Aufreibens.

Beim Aufreiben sind zwei Größen von größter Bedeutung: Drehmoment und Rückzugskraft. Beide sollten kontinuierlich überwacht und mit dem für die Formation und den Aufreiberdurchmesser erwarteten Bereich verglichen werden.

Ein plötzlicher Drehmomentanstieg deutet auf eine Veränderung hin – der Aufweitbohrer stieß auf eine harte Schicht, Bohrklein verdichtete sich, das Bohrloch droht einzustürzen. Ein plötzlicher Drehmomentanstieg beim Rückzug bedeutet, dass das Bohrgestänge schleift – wahrscheinlich ein Einsturz des Bohrlochs oder übermäßige Ansammlung von Bohrklein.

Wenn einer der Parameter vom erwarteten Bereich abweicht, stoppen Sie das Aufreiben. Ziehen Sie das Bohrgestänge leicht zurück, um einen Ringspalt zu erzeugen. Spülen Sie das Bohrloch mit einer Hochdruckspülung. Setzen Sie das Aufreiben erst fort, wenn die Parameter wieder im Normalbereich liegen. Das Durchfahren eines solchen Ausreißers ist die Methode, mit der Sie ein Bohrgestänge in zwei kürzere, weniger nützliche Stücke zerlegen.

Das große Ganze

Geologische Bohrgestänge versagen aufgrund von Entscheidungen, die über Tage getroffen wurden, nicht aufgrund der Bedingungen unter Tage. Falsche Geräteauswahl. Ungeeignete Gestänge im Bohrstrang. Ein genehmigtes Pilotbohrloch, das zu weit abgewichen ist. Ein Aufweitplan, der Arbeitsschritte überspringen wollte. Parameter, die ignoriert wurden, bis der Bohrkopf zum Bruch führte.

Jeder dieser Fehler wäre vermeidbar, wenn vor und während des Bohrvorgangs ingenieurtechnische Sorgfalt angewendet würde, nicht erst, nachdem die Pleuelstangen in Stücken herausgekommen sind.