Bohrgelände

• Zwei-Loch-Bohrung mit Vorbohrung (VB) und Hauptbohrung (HB)
• Abstand der Bohrlöcher: 200 Meter
• Fläche des Betriebsgeländes: ca. 57.000 Quadratmeter

Vorbohrung VB

• Bohrzeit: 22.09.1987 bis 04.04.1989
• Bohrtechnik: Seilkernverfahren
• Bohrtiefe: 4.000,1 Meter (true vertical depth)
• Bohrdurchmesser: xy – 15,2 cm

Hauptbohrung HB

• Bohrzeit HB: 05.10.1990 bis 12.10.1994
• Bohrtechnik HB: Spülbohrung
• Bohrtiefe HB: 9.101 Meter (true vertical depth)
• Bohrdurchmesser (HB): xy – 16,5 cm

Das Kontinentale Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland (KTB) basiert auf der Idee, die kontinentale Erdkruste durch eine übertiefe Bohrung zu erforschen.

Dieser Idee lagen mehrere, auch ernüchternde, Erkenntnisse zugrunde:

1. Der rasante technische Fortschritt der Geophysik und der experimentellen Geochemie hatte das Wissen um den Aufbau und die Entwicklung der Kontinente enorm voran gebracht.
2. Eine verlässliche Interpretation der “geophysikalischen Bilder” des Untergrundes und eine Übertragung der Labordaten auf die Natur war eigentlich nicht möglich.
3. Es fehlte die unmittelbare Erforschung der Zustandsbedingungen und Prozesse in der Erdkruste, letztlich die Forschung an den Gesteinen selbst.

Im Laufe einer intensiven Diskussion, an der sich verschiedenste Forschungsdisziplinen beteiligten, entwickelte sich aus der Idee ein konkreter Forschungsantrag für eine übertiefe Bohrung. Gegenüber dem Bundesministerium für Forschung und Technologie wurde darin das generelle Ziel formuliert:

“Grundlagenforschung über die physikalischen und chemischen Zustandsbedingungen und Prozesse in der tieferen Erdkruste zum Verständnis von Dynamik und Evolution intrakontinentaler Krustenbereiche.”

Es beruhte auf einer sorgfältigen Auswahl von Problemen, die sich auf ausreichende Vorarbeiten und Interessen zahlreicher deutscher Geowissenschaftler stützte. Als Tiefenziel wurde das Temperaturfenster von 250 bis 300°C definiert, das in etwa 10 km Tiefe erwartet wurde.

Als Pilotbohrung verfolgte sie drei Ziele:

• Maximierung der geowissenschaftlichen Datengewinnung durch Bohrkern-, Bohrklein- und Bohrlochmessungen,
• Entlastung der späteren Hauptbohrung im oberen Abschnitt von zeitaufwändigen und risikoreichen Kernarbeiten und Bohrlochmessungen und
• Verbesserung der Planungssicherheit für die Hauptbohrung hinsichtlich der Bohrbarkeit der Gesteine und der Bohrlochstabilität.

Die Vorbohrung wurde am 22.09.1987 begonnen. Sie erreichte nach 560 Tagen Bohrzeit am 04.04.1989 eine Teufe von 4.000,1 m. Die gesamte Bohrung wurde im sogenannten Seilkernbohrverfahren durchgehend gekernt. Dabei wurden 3.564 m Bohrkerne von hervorragender Qualität gewonnen. Obwohl die Bohrbedingungen schwierig waren, wurde ein Kerngewinn von 98 % erreicht.

Die Vorbohrung durchteufte gefaltete hochmetamorphe Paragneise und Metabasite. Diese Gesteinsserie war steil geneigt und von mehreren, oft einige Meter mächtigen Bruchzonen durchzogen. Bei 4.000 m lag die Gesteinstemperatur bei 118°C – deutlich höher als erwartet.

Mit der Aufteilung der Bohrung in ein Zwei-Bohrungskonzept mit der KTB-Vorbohrung als Pilotbohrung und der KTB-Hauptbohrung als ultratiefer Bohrung sollten die geowissenschaftlichen Ziele innerhalb des vorgegebenen Zeit- und Kostenrahmens erreicht werden. Vor dem Bohrbeginn stand die technische Planung der Bohrstrategie. Sie stützte sich auf neun Eckpunkte:

• Zwei-Bohrungskonzept mit Vor- und Hauptbohrung,
• Konstruktion und Bau einer “Fit for Purpose”-Bohranlage,
• Entwicklung eines Hochleistungsbohrstrangs,
• Vertikalbohrstrategie,
• Realisierung eines kostengünstigen Bohr- und Verrohrungsprogramms,
• Antrieb der Bohrwerkzeuge durch Untertagemotoren,
• Verbesserung der Kernbohrtechnik,
• Entwicklung eines Spülungssystems für die Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen im Bohrloch und
• Optimierung der Datengewinnung und Beprobungsmethoden.

Die Bohranlage für die Hauptbohrung wurde nach umfangreichen Studien unter besonderer Berücksichtigung der speziellen Anforderungen geplant und gebaut. Der Bohrstrang wurde, um ausreichende Reserven zu gewährleisten, auf eine maximale Teufe von 12.000 m ausgelegt. In der Materialauswahl wurden nahezu sämtliche technisch in Frage kommenden Werkstoffalternativen berücksichtigt.

Am 5. Oktober 1990 begannen die Bohrarbeiten für die Hauptbohrung. Sie erreichte am 12. Oktober 1994 ihre Endteufe von 9.101 m.

Die größten Herausforderungen waren die zu erwartenden Gesteinstemperaturen, die große Bohrstrecke und die Gesteinsarten. Die Bohrung im Kristallingestein der geologischen Zone von Erbendorf-Vohenstrauß unterscheidet sich in ihren Anforderungen ganz erheblich von herkömmlichen Erdöl- und Erdgasbohrungen, für die bereits umfassende Erfahrungen vorlagen.

Sowohl die KTB-Vorbohrung als auch die KTB-Hauptbohrung durchteuften auf ihrer gesamten Länge kristalline metamorphe Gesteine, insbesondere Amphibolite, Metagabbros, Gneise und Wechsellagerungen aus Gneisen und Amphiboliten. Solche Gesteine werden bohrtechnisch üblicherweise als hart und standfest, aber auch hoch abrasiv für die Bohrwerkzeuge eingestuft. Ihre einachsigen Druckfestigkeiten sind sehr hoch. In beiden KTB-Bohrungen weisen diese Gesteine aber auch ausgeprägte Unstetigkeiten der Gesteinseigenschaften auf: Parallele Richtungselemente, die Foliation, sind mit durchschnittlich 60° nach Südwest geneigt. Wegen der starken tektonischen Beanspruchung sind die Gesteine zudem intensiv gefaltet, und Verwerfungszonen sind durch kataklastische Brüche charakterisiert. Das Durchbohren solcher Schwächezonen verursacht in den meisten Fällen erhebliche Bohrlochinstabilitäten mit großen Ausbrüchen aus dem Rand des Bohrlochs. Bei einer geplanten Bohrtiefe von etwa 10.000 m wurden Gebirgstemperaturen von bis zu 300°C angenommen.

Auf dieser Basis wurde eine spezielle Bohrstrategie entwickelt, die in die Konstruktion der einzigartigen Bohranlage für die KTB-Hauptbohrung mündete.

Die Bohranlage wurde speziell für die KTB-Hauptbohrung geplant und errichtet. Der Bohrturm mit einer Höhe von 83 m ist mit einem halbautomatischen Gestänge-Handhabungssystem ausgerüstet. Es besteht aus Pipehandler, Gestängeschwenkvorrichtung und Gestängeförderer, hydraulischer Verschraubeinrichtung, Wechsel-Elevator-System und automatischen Abfangkeilen.

Das Gestänge-Handhabungssystem, in Kombination mit einer sternförmig angeordneten Fingerbühne zum Lagern der Bohrgestänge, wurde erstmalig im Bohrbetrieb eingesetzt. Alle System-Komponenten sind über programmierbare Steuerungen miteinander verbunden. Durch die Verwendung dieses Systems in Verbindung mit 40 m langen Bohrgestängeabschnitten konnte die Zeit für den Ein- und Ausbau der Bohrwerkzeuge um fast 30% verkürzt werden.

Das ferngesteuerte Getriebehebewerk der Bohranlage wurde komplett neu entwickelt. Die verwendeten Gleichstrommotoren dienten nicht nur dem Antrieb, sondern bremsten auch die Hebewerkstrommel ab. Dabei arbeiteten sie als Generatoren und führten elektrische Energie zurück ins Netz.

Das Spülungssystem besteht aus einer Spülungstankanlage und einer Spülungsaufbereitungsanlage. Die Zirkulation der Spülung mit Drucken bis zu 350 bar wird durch drei Hochleistungspumpen gewährleistet.

Durch die Entwicklung und den Einsatz von Vertikalbohrsystemen gelang eine Minimierung der im Bohrloch auftretenden Reibungskräfte. Nur dadurch ist die erreichte Bohrtiefe überhaupt möglich geworden.

Der Bohrstrang ist ein absolutes Hochleistungssystem, welches, um ausreichende Reserven zu gewährleisten, für eine maximale Teufe von 12.000 m ausgelegt war. Von herausragender Bedeutung für seine Entwicklung war die Materialauswahl, die Herstellungs- und Fertigungstechnologien, sowie die zu erwartenden Bohrlochbedingungen. In der Materialauswahl wurden nahezu sämtliche technisch in Frage kommenden Werkstoffalternativen berücksichtigt.

Zu den Hauptforschungsthemen, die mit Hilfe der Bohrung angegangen wurden, konnte eine Vielzahl von Ergebnissen erarbeitet werden. Bis heute werden Forschungsergebnisse veröffentlicht, die auf Daten oder Material aus der Tiefbohrung beruhen.

Strukturbau und Krustenevolution

Zum Beispiel ist die Hebungs- und Abkühlungsgeschichte des erbohrten Krustensegments durch überraschend zahlreiche Phasen der Deformation im Übergangsbereich vom spröden zum duktilen Verhalten gekennzeichnet. Die Analyse ihrer tektonischen Gefüge verdeutlicht eine sehr komplexe Entwicklungsgeschichte während der Endphase der Gebirgsbildung – und bis heute.

Ein unerwartetes Ergebnis ist die Feststellung, dass sich die Temperaturerhöhung zur Tiefe hin erst ab einer Teufe von etwa 7.500 m überhaupt auf die Gesteinseigenschaften auswirkt.

Paläofluidaktivität und rezente Fluide

Zum Beispiel wurde die Deformation der Gesteine der Zone von Erbendorf-Vohenstrauß von einer intensiven Fluidaktivität begleitet. Sie konzentrierte sich auf tektonische Brüche und führte zu einem bunten Spektrum an Mineralisationen.

Ein weiteres Beispiel ist ein sehr vielfältiges Inventar hydrothermal gebildeter Erzminerale (vorwiegend Eisensulfide), das weitgehend übereinstimmt mit den Mineralisationen, die in der russischen Kola-Tiefbohrung SG3 angetroffen wurden. Solche Erzabscheidungen sind offenbar generell typisch für kontinentale Grundgebirgsbereiche. Diese Sulfidmineralisation erfolgte bei Drucken von 2 bis 3 kbar und gleichzeitigen Temperaturen von 250 bis 300 °C.

Geophysikalische Strukturen und Phänomene

Beispielsweise konnte mit der Bohrung zum ersten Male bewiesen werden, dass starke seismische Reflektoren, die aus geophysikalischen Experimenten von der Erdoberfläche aus erkennbar werden, ausgedehnte Bruchzonen darstellen. Ein in den Voruntersuchungen zum KTB-Projekt identifizierter starker Reflektor wurde mit einem Ast des Fränkischen Lineaments korreliert und sollte nach der geophysikalischen Prognose zwischen 6.600 und 7.100 m mit der Bohrung erreicht werden. Tatsächlich traf die Bohrung eine intensive Bruchzone in einer Tiefe von 6.860 bis 7.260 m an.

Zum Beispiel boten die geothermischen Verhältnisse einige Überraschungen. Bis in etwa 1.000 m Tiefe entsprach die gemessene Temperaturzunahme etwa dem prognostizierten Wert von 21°C/km. Danach erfolgte eine sehr rasche Temperaturzunahme, bevor sich ab 1.500 m ein annähernd konstanter Temperaturgradient von 29 bis 30°C/km einstellte. In 4.000 m Tiefe liegt die Temperatur mit 118°C schon weit über den für diese Tiefe möglich gehaltenen Werten.

Das Kontinentale Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland (KTB) widmete sich vollständig der Grundlagenforschung. Die ursprünglichen Fragestellungen waren nicht auf das Ziel irgendwelcher Anwendungen gerichtet. Dennoch wurde eine Vielzahl neuer Entwicklungen angestoßen – sowohl im geowissenschaftlichen als auch im bohrtechnischen Bereich.

Die nachfolgend als Schlagworte dargestellten Anwendungen von Erkenntnissen aus KTB greifen nur einen kleinen Teil dessen auf, was KTB tatsächlich für die Geowissenschaften und die Kenntnis des Systems Erde gebracht hat.

• Geoelektrische Leiter
• Geneigte seismische Reflektoren
• Erdbebenforschung
• Fluide in der Erdkruste
• Geothermie
• Lagerstätten
• Internationales Bohrprogramm ICDP (Beispiele: Unzen, SAFOD, IDDP, El’Gygygtyn, Eger Rift Fluids (etc.)
• Horizontalbohrsystem
• Automatisierter Bohrturm
• Umweltverträgliche Bohrspülung

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die bedingungslose Transparenz des Projekts gegenüber der Öffentlichkeit mit dem Ansatz, die Bohrung und ihre Ergebnisse beständig zu erklären. Darauf baut die heutige Umweltstation GEO-Zentrum an der KTB auf.

Die Zahl der Veröffentlichungen zum Kontinentalen Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland ist enorm. Nur wenige Schriften wurden in deutscher Sprache veröffentlicht, die allermeisten sind in Englisch und tragen dem internationalen Interesse am Tiefbohrprojekt Rechnung. Sie sind allesamt für das wissenschaftliche Fachpublikum geschrieben.

Eine umfassende, wenn auch wahrscheinlich nicht vollständige, Zusammenstellung der wissenschaftlichen Publikationen zum KTB ist beim GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung frei verfügbar. Die regelmäßigen Standardveröffentlichungen zum Bohrprojekt waren die KTB-Reports der Projektleitung, deren Titel wir für einen ersten Überblick zum Download zusammengestellt haben. Starten Sie damit Ihre weitere Recherche in der GFZ-Publikationsdatenbank oder sehen Sie alle Reports gerne auch in der Präsenzbibliothek des GEO-Zentrum an der KTB ein.

Das GEO-Zentrum an der KTB hat unter dem Titel “Das tiefe Loch” eine kurze Zusammenfassung des Bohrprojekts in allgemein verständlicher Form veröffentlicht. Die Broschüre ist im GEO-Shop des GEO-Zentrum an der KTB in Windischeschenbach erhältlich.