Modellierung und numerische Berechnung des Mehrphasentransports in der Tiefbohrtechnik

Drilling Simulator Celle (DSC) und Institut für Technische Mechanik (ITM): Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein Forschungsprojekt zur modellbasierten, systematischen Optimierung und Automatisierung von geothermischen Bohrprozessen.

Erneuerbare Energie spielt seit Jahren eine wichtige Rolle auf dem Strommarkt. Dennoch ist deren Anteil im Wärmesektor auch weiterhin recht gering. So ermittelt das Umweltbundesamt aktuell einen Anteil erneuerbarer Energien von rund 15 Prozent am deutschen Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte. Es wird erwartet, dass die bisher dominierenden fossilen Energieträgern zu einem großen Teil von dem vorhandenen geothermischen Potenzial abgelöst werden. Doch was genau passiert bei Geothermiebohrungen, mit denen in Tiefen von deutlich mehr als 1.000 Metern Wärme für Kommunen und lokale Energieversorger gewonnen werden kann?

Durch den Einsatz numerischer Methoden aus der Strömungsmechanik sollen in dem Forschungsprojekt am DSC und ITM der TU Clausthal weitere Beiträge zur Kostenreduktion von Geothermiebohrungen entwickelt werden, die weiterhin der entscheidende Faktor für die Wirtschaftlichkeit geothermaler Projekte im großtechnischen Maßstab sind. Im Zentrum steht der Transport des Bohrkleins, welcher mittels geeigneter Methoden für die beim Tiefbohren typischen Bedingungen modelliert werden muss. Diese Bedingungen können zum Beispiel hohe Drücke und Temperaturen, der Einsatz von Bohrspülungen mit komplexen Fließeigenschaften und Strecken von mehreren Kilometer Länge bei variablen Umgebungsbedingungen sein.

Das von Professor Gunther Brenner vom ITM geleitete Projekt greift langjährige Vorarbeiten des Instituts zur Grundlagenanalyse des Partikeltransports in Flüssigkeiten unter Einsatz modernster Berechnungstechniken auf. Diese Methoden werden bezogen auf den Bohrkleintransport erweitert und anhand experimenteller Daten validiert. Damit wird es möglich sein, bisher nicht erfasste Effekte von Sekundarströmungen oder dem Fließverhalten der Bohrspülung auf den Partikeltransport zu quantifizieren. Das vorliegende Projekt wird zur Klärung und besseren Quantifizierung der hydrodynamischen Prozesse für den Tiefbohrprozess beitragen. Die im Projekt erzielten Ergebnisse sind jedoch grundlegender Natur: Sie lassen sich grundsätzlich auch auf andere Technologiefelder mit vergleichbaren Fragestellungen übertragen, etwa der Papierverarbeitung, Abwasserbehandlung oder Lebensmitteltechnik.

Relevante Veröffentlichungen:

Aragall, R., S. Hahn, V. Mulchandani,  G. Brenner; Multiscale Approach for Drilling Hydraulics Modeling, Oil Gas European Magazine, 1/2014, pp. 28-30.

Aragall, R., V. Mulchandani,  G. Brenner; Optical measurement and numerical analysis of mono- and bidisperse coarse suspensions in vertical axisymmetric sudden-expansion, International Journal of Multiphase Flow, 69, 2015, pp. 63–80, doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.11.002.

Aragall, R., F. Yu, J. Dai, G. Brenner; Closure of Drift-Flux Models for Cuttings Transport Predictions, Oil Gas European Magazine, Vol. 40, 2015, pp. 28, ISSN 0342-5622.

Aragall, Roger, “Enhancement of cuttings transport models though physical experiments and numerical investigation of solid-liquid transport”, Dissertation TU Clausthal, 30.10.2015.