Die Bohrtechnik, ihre Entwicklung und Bedeutung. Von Bergwerksdirektor W. Landgraeber. LANDGRAEBER, Die Bohrtechnik, ihre Entwicklung und Bedeutung. Die Kunst des Tiefbohrens dürfte mehr als 2000 Jahre alt sein. Vermutlich ist sie nicht viel jünger als die Verwendung des Eisens. Die Aufsuchung von Wasser war sicherlich damals ebensowichtig, wie die Anwendung von Metallen. Die ersten Nachrichten über tiefere Bohrungen stammen aus dem 4. Jahrhundert v. Chr. Es sollen in der Wüste Afrikas mit Hilfe von Bohrern Wasserbrunnen von etwa 200 Meter hergestellt worden sein. Aus Berichten von Olympiodorus (Anfang des 5. Jahrhunderts) wissen wir, daß in der Oase seines Heimatlandes Brunnen von 230 m gegraben wurden. Die europäischen Völker des Altertums haben keinerlei diesbezügliche Aufzeichnungen hinterlassen. Die Chinesen müssen die Bohrkunst schon frühzeitig gekannt haben. Die Russen haben sie von ihnen erlernt. In der Wüste Mazedoniens soll um 168 v. Chr. zur Versorgung der Truppen von Paulus Almilius ein tieferer Brunnen angelegt worden sein. Um 24 v. Chr. berichtet Vitruvius von Brunnengrabungen. Für Berieselungszwecke kannte man bereits im 5. Jahrhundert die noch heute gebräuchlichen Abessinierbrunnen, auch „artesische“ Brunnen genannt. Diese bis zu 100 und sogar bis 200 m gebohrten Brunnen, die auch in Arabien um das Jahr 1000 Verwendung fanden, sind in Deutschland ziemlich verbreitet. Ueber die früher verwendeten Bohrwerkzeuge sind nur wenig Belege erhalten geblieben. Derjenige, der der Nachwelt ausführlich über die Bohrgeräte der damaligen Zeit berichtet, ist kein anderer als Leonardo da Vinzi (1452–1519). Vor etwa 100 Jahren begann man in England, Frankreich und Deutschland die Bohrmethoden zu verbessern. Sie dienten nicht nur zur Anlage von Bohrbrunnen, sondern auch zur Untersuchung der geologischen und physikalischen Verhältnisse des tieferen Untergrundes sowie auch zum Anbohren von Erdöllagern. In gewissem Sinne verdanken wir die hohe Entwicklung der technischen Erdölgewinnung den damaligen Versuchen, die Bohrkunst zu vervollkommnen. Von dieser Zeit an fanden die Rohrbrunnen große Verbreitung. Der erste rund 550 m tiefe Brunnen wurde von 1831–1844 in Grenelle erbohrt. 20 Jahre später bohrte der Ingenieur Kind in Passy bis 586 m Tiefe. Diese beiden Bohrungen waren gewissermaßen nur vorübergehende Einzelleistungen. Erst in neuerer Zeit erfuhr die Tiefbohrtechnik infolge des ungeahnten Aufschwunges des Bergbaues und vor allem der Erdölindustrie eine bedeutsame Vervollkommnung. Sie hat einen Fortschritt erfahren, der sie weit über den früheren handwerksmäßigen Betrieb erhebt. Sowohl für den Bergbau als für die Geologie, Bau- und Wassertechnik bedeutet sie ein wichtiges Hilfsmittel. Noch vor wenigen Jahrzehnten wurde der Bohrbetrieb im allgemeinen mit primitiven vom Grobschmied hergestellten Werkzeugen ausgeführt. Der Betrieb wurde lediglich von Hand bewerkstelligt. Der Fabiansche Freifallapparat galt als das vollkommenste Gezähestück. Der Freifallbohrkran soll um die Mitte des vorigen Jahrhunderts von Kind zum ersten Male angewandt worden sein. Beim Bohrbetrieb mußte ehevor bei jeder Weitervertiefung des Bohrlochs um 60 bis 100 cm das gesamte Bohrgestänge gezogen werden, um den Bohrschmand von der Sohle heraufzuholen. Eine Unmenge von Zeit ging auf diese Weise verloren. Es ist gar nicht auszudenken, wie lange ein Bohrloch von 500–600 m – heute ein Werk von einigen Wochen – zur Fertigstellung benötigte. Infolge der unvermeidlichen Fehlgriffe kamen früher soviel Bohrunfälle und Gestängebrüche vor, daß die Bohrungen nur verhältnismäßig geringe Tiefen erreichen konnten. Es ist ganz selbstverständlich, daß diese meist hinter denen, in die der Bergbau bzw. Schachtbau vordrang, zurückbleiben mußten. Der eigentliche Bergbau konnte daher auch der Bohrtechnik eine besondere Bedeutung nicht zuerkennen. Erst die Allmutter Natur, die im allgemeinen mit der Preisgabe von Geheimnissen recht sparsam ist, gab einen Fingerzeig, der für die weitere Entwicklung recht fruchtbar wurde. Bei Erbohrung einer Springquelle war die Beobachtung gemacht worden, daß das aufsteigende Wasser den Bohrschlamm mit heraufbrachte. Durch diese Art der Freimachung der Bohrlochsohle konnte für den Meißel eine etwa zehnfach größere Wirkung erzielt werden. Man machte sich diese Beobachtung zunutze. Im Jahre 1846 soll Fauvell die Wasserspülmethode erfunden haben. Man ersetzte das bisher verwandte massive Bohrgestänge durch ein Hohlgestänge. Durch das Innere preßte man Wasser auf die Sohle. Der Bohrschmand wurde zwischen Bohrlochwand und Gestänge mit den aufsteigenden Wassermengen an die Oberfläche gebracht. Die diesbezüglichen Versuche erregten allgemein lebhaftes Aufsehen. Fast gleichzeitig mit dieser Spülvorrichtung für Meißelbohrung, auch „stoßendes Bohren“ genannt, kam die Diamantkernbohrung, auch als „drehendes Bohren“ bezeichnet, in Gebrauch. Letztere bedient sich ebenfalls des Druckwassers zum Ausspülen und Reinigen der Sohle. Beide Bohrmethoden sind von dieser Zeit an. entweder einzeln oder kombiniert allgemein in Anwendung gekommen. Gleichzeitig trat hiermit der große Wendepunkt in der bisher so stiefmütterlich behandelten Tiefbohrtechnik ein. An Stelle des Handbetriebes trat Maschinenbetrieb als Antriebskraft und an die Stelle des Grobschmieds die Maschinenfabrik. Letztere hatte nunmehr die Bohrwerkzeuge zu beschaffen. Immer größere Anforderungen wurden hinsichtlich einer soliden und präzisen Fabrikation gestellt. Die große Zahl der auf diesem Gebiete nachgesuchten Patente zeugt von dem Eifer und Wettbewerb, der sich nunmehr auf diesem Betätigungsfeld geltend machten. Die so gewonnenen Vervollkommnungen förderten Leistungen hervor, wie man sie früher nicht für möglich gehalten haben würde. Ein einzelner Bohrtag gab bisweilen Fortschritte, für die früher ein ganzes Jahr angestrengter Arbeit notwendig gewesen wäre. Textabbildung Bd. 340, S. 208 Abb. 1. Freifall-Bohrkran mit seitlich liegender Fördereinrichtung, Patent Alfred Wirth u. Co., Erkelenz. Als Bohrapparate für größere Teufen verwendet man heute bei stoßendem Bohren den „Spülschnellschlag“ in verschiedener Form. Die Wirkung derartiger Apparate ist infolge der kurzen scharfen Schläge des Meißels, die 60–80 in der Minute betragen können, ganz hervorragend. Arbeitstäglich können in losem Gebirge 60–89 m und in festem 10–20 m gebohrt werden. Ein Herausziehen des Bohrers ist nur zum Schärfen notwendig. Der Gestängenachlaß geschieht mittels Sprungschlüssel, wodurch ein Abbohren ganzer Gestänge ermöglicht wird. Meist werden die Bohreinrichtungen so ausgebildet, daß ohne weiteres von der drehenden zur stoßenden Bohrmethode, auch „Rotationsbohren“ genannt, übergegangen werden kann. Der Bohrbetrieb erwies sich nunmehr als wirkliche Bohrkunst, die nicht nur zu einem selbständigen Zweige der betreffenden Industrien, sondern auch zu einer Führerin, z.B. des Bergbaues, wurde. Nach und nach gelang es Teufen zu erreichen, die diejenigen des Bergbaues bei weitem überschreiten. Schächte von mehr als 1000 m Teufe gibt es nur wenige. Hingegenexistieren eine große Anzahl von Bohrlöchern, die mehr als 1000 m tief sind. Im Jahre 1871 erreichte das Bohrloch von Spremberg eine Tiefe von 1276 m und etwas später die beiden Löcher von Schladebach und Faruschowitz eine solche von 1748 bzw. 2003 m. Das tiefste Bohrloch der Welt war lange Zeit dasjenige von Czucho in Deutschland mit 2240 m. Kürzlich ist eine neue Spitzenleistung in Amerika erzielt worden. Von zwei Bohrungen für Erdöl bei Clarksburg und bei Fairmont weist die eine 2251 m und die andere 2310 m auf. Textabbildung Bd. 340, S. 208 Abb. 2. Galizisch-kanadischer Bohrkran der Firma Alfred Wirth u. Co., Erkelenz. Bei tieferen Bohrungen über 900 m hat sich herausgestellt, daß der Verlauf fast nie senkrecht, d.h. nach dem Erdmittelpunkt gerichtet ist. Bis in die jüngste Zeit konnte man für diese merkwürdige Erscheinung eine Erklärung nicht finden. Nunmehr glaubt der Ingenieur Curtis die Ursache in der Einwirkung des Erdmagnetismus gefunden zu haben. Dieser soll auf den Bohrer, der gewissermaßen allmählich zu einem Magneten wird, einwirken und ihn in die Nordsüdrichtung einzuzwängen versuchen. Um nun diese unerwünschte Abweichung aus der Lotrechten hintanzuhalten, ist von Curtis der Vorschlag gemacht, durch das Bohrgestänge einen elektrischen Strom zu leiten, der in ihm einen dem Erdmagnetismus entgegenwirkenden Magnetismus erzeugen soll. Hierdurch soll dem Bohrer die Möglichkeit gegeben werden, senkrecht ins Erdreich vorzudringen. Es werden folgende verschiedene Arten von Bohrverfahren unterschieden. Erstens: Drehbohrung, trocken oder spülend, mit Stahl- oder Diamantbohrkernen, maschinell oder von Hand bewerkstelligt. Zweitens: Stoßbohrung an Seil oder Gestänge, maschinell oder von Hand. Die Stoßbohrung am Seil, die sogenannte pennsylvanische, geschieht nur maschinell. Beim Gestängebohren unterscheidet man mehrere verschiedene Verfahren, von denen die Schnellschlagbohrung mit Kraftbetrieb wohl die am meisten verbreitete ist. Neuerdings ist in Rußland ein hydraulisch angetriebener Rotationsbohrapparat konstruiert. Bei ihm wird der Bohrer durch einen hydraulischen Motor, der durch eine besondere Einrichtung bis auf die Sohle gesenkt werden kann, angetrieben. Die Vorteile dieser Einrichtung bestehen in dem Fortfall von Dampfmaschinen, Rotationseinrichtungen, spezieller Bohrrohre und anderen mehr. Anschaffungskosten und Energieaufwand werden dadurch bedeutend ermäßigt. Ferner wird die Betriebssicherheit sowie der Bohrfortschritt erhöht. Das Ergebnis der Leistungen soll sogar drei- bis viermal größer sein als bei den bisherigen Bohrverfahren. Außer sonstigen kleineren praktischen Vorteilen läßt sich mit dem neuen Rotationsapparat bis in beliebige Teufen bohren. Versuche in den Erdölgebieten von Baku haben dargetan, daß sich dieser Apparat für die Praxis bewährt hat. Von den Schwierigkeiten, die zum Beispiel ein 2000 m langes Bohrgestänge durch Heben und Senken verursacht, macht sich nur derjenige einen Begriff, der sich selbst mit derartigen Arbeiten befaßt hat. Derartige Erschwernisse fallen bei der neuen Bohrmethode fort. Textabbildung Bd. 340, S. 209 Abb. 3.Indischer Spülbohrkran mit Schlagseil der Firma Alfred Wirth u. Co., Erkelenz. Ganz besondere Bedeutung hat die Bohrtechnik zur Gewinnung von Flüssigkeiten (Erdöl) und Gasen (Naturgas) bekommen mit ihren stellenweise geradezu katastrophalen Ausbrüchen in neuaufzuschließenden Gebieten. Die großartigen Fortschritte in der Entwicklung der Bohrtechnik veranlaßten die Bohrtechniker ihr bisheriges Betätigungsgebiet zu erweitern und sich dem Schachtbau als solchem zuzuwenden. Auf der Grube „Anna“ wurde ein Bohrschacht (befahrbares Bohrloch) von 800 mm Durchmesser auf 40 m Tiefe mittels zusammengesetzten hydraulischen Preß- und Bohrverfahrens bereits vor längerer Zeit niedergebracht. Als Spezialverfahren, als sog. „Schachtabbohren“ hat diese Schachtbaumethode bereits beachtenswerte Erfolge erzielt. Aber noch viel größere Hoffnungen werden zukünftig auf sie gesetzt. Vor etwa 75 Jahren gelang es dem genannten deutschen Ingenieur Gotthelf Kind als erstem, Schächte mit 5 m Durchmesser nach dem Bohrverfahren abzuteufen. Diese Methode kommt vornehmlich dort in Frage, wo es sich darum handelt stark Wasser führende Schichten zu durchsinken. Mit kleinem Bohrer begann Kind den Schacht vorzubohren.Wenn er hiermit eine gewisse Tiefe erreicht hatte, wandte er sog. Erweiterungsbohrer an und bohrte damit den gewünschten Schachtdurchmesser nach. Diese Bohrmethode ist später durch Haniel und Lueg, Pattberg, Honigmann, Stockfisch und neuerdings durch die Schachtbau Thyssen Q. m. b. H. verbessert worden. Man ist heute im Stande, auf diese Weise Schächte bis in 500 m und mehr mit einem Durchmesser von 3–4 m abzubohren. Es ward hierbei sowohl drehend wie stoßend gebohrt. Der Schachtstoß wird erforderlichenfalls während der Bohrarbeiten durch eine ständig in Umlauf gehaltene, dicke Tonspülung von spez. Gewicht = 1,4 zurückgehalten. Der Bohrschmand steigt, durch Spülpumpen von riesigen Dimensionen in Bewegung gesetzt, mit der Spülung ununterbrochen zutage und wird in Kläranlagen abgesetzt. Bei stoßendem Bohren verwendet man besonders konstruierte dreiflügelige Meißel, die ein Gewicht von 30 t und mehr erreichen können. Nach Beendigung der Bohrarbeiten werden durch Einsenken von Tübbingssäulen aus ganzen Tübbingsringen oder Segmenttübbings die Schächte gesichert. In losem Gebirge werden die Schachtstöße, wenn nötig, während der Bohrarbeiten verrohrt. Die Kosten des Schachtabbohrens sind gegenüber allen anderen Kunstverfahren beim Schachtbau die niedrigsten. Textabbildung Bd. 340, S. 209 Abb. 4.Rohöl-Ausbruch einer Sonde in Campina (Rumänien). In dem Bestreben, unserer teilweise sehr verarmten Welt, alle nur möglichen Hilfsmittel nutzbar zu machen, ist man neuzeitlich auf den Gedanken gekommen, die riesigen Energiequellen der Erdwärme zu verwerten. Man hat versucht, eine Bohrmaschine zu konstruieren, vermittels derer die Erdwärme als Kraftquelle in den Dienst der Energiewirtschaft gestellt werden kann. Mit ihr soll es möglich sein, bis in Teufen von mehr als der doppelten der bisher erreichten Tiefen ins Erdreich, ja bis zu 5000 m und mehr zu bohren. Zweifellos ist die Möglichkeit vorhanden, bis in Schichten mit sehr hohen Temperaturen vorzudringen und das Erdinnere als Motor auszunutzen. Es gibt auch bereits manche Orte auf der Erde, wo diese bisher brachliegenden Kräfte sogar ohne Bohrungen lohnend in hierfür konstruierten Maschinenanlagen ausgenützt werden. So z.B. werden südwestlich von Florenz die dort seit unvordenklichen Zeiten aufsteigenden heißen Quellen und Dampfmassen durch elektrische Generatoren von besonderer Art nutzbringend verwendet. Die Vesuv- und Aetnagegend wird neuerdings einer eingehenden Untersuchung unterzogen. Auch die ungebändigten Kräfte des Vulkan Kilauea auf Hawai sollen als Ofen- und Wärmequellen in den Bereich der Kraftausnutzung gezogen werden. In Frankreich sind verschiedene Bohrungen gestoßen worden, bei denen die Temperaturen in großen Tiefen gemessen wurden. Bei Mollièrers sur Ceze wurde in etwa 1870 m eine Temperatur von 82,5° C festgestellt. In den vulkanischen Maremmen von Toscana sind die Italiener bereits bahnbrechend vorgegangen. Dort werden die entweichenden heißen Dampfströme durch mehrere Bohrlöcher bis zu 150 m Tiefe z.B. bei Larderello, die stündlich 150000 kg betragen, für Maschinenbetrieb ausgewertet. Bei Castellnuovo, dem uns allen aus der Geschichte bekannten verhängnisvollen Ort, werden stündlich 60000 kg Dampf von 180° C aus einem einzigen Bohrloch gewonnen.Die Dampfmassen betreiben Turbinen und Generatoren für elektrischen Strom, der bis Rom und Prescia geleitet wird. Wenn sich auch hier die technischen Schwierigkeiten ohne weiteres überwinden lassen, so dürfte es doch vorläufig fraglich sein, die Verwirklichung dieser genialen Tat auch in anderen weniger günstigen Gebieten durchzuführen. Bei richtiger Auswahl der betreffenden Ansatzpunkte, seien es nun Schächte oder Bohrungen an Orten der Erdhaut, an denen die Tiefenwärme ziemlich nahe an die Oberfläche kommt, dürfte jedoch das Problem der praktischen Auswertung ein wirtschaftliches Ausmaß erreichen. In Deutschland käme hierfür z.B. das Vulkangebiet der Schwäbischen Alp mit ihren mehr als hundert verschiedenen sog. Vulkanembryonen in Frage. Um den Gedanken in die Tat umzusetzen, ist es notwendig, die zu erwartenden Gesteinstemperaturen im Berginnern, die bekanntlich von einer Anzahl unbekannter Faktoren abhängen, ungefähr zu kennen. Neuerdings sind auf diesem Gebiete durch eine Methode von Prof. Dr. Pressel Fortschritte von bislang unerreichter Sicherheit zu verzeichnen. Sie gestattet eine Abschätzung der zu erwartenden Maximaltemperaturen, an deren Möglichkeit bisher niemand gedacht hat. Bei Tunnelbauten hat sich diese Methode der Vorherbestimmung von Temperaturen bereits befriedigend bewährt. Auf die Einzelheiten soll hier nicht näher eingegangen werden. Es handelt sich, kurz gesagt, um die Darstellung des gleichen mathematischen Ausdrucks wie bei den Beziehungen zwischen entsprechenden Größen in einem elektrostatischen Felde.