hotToolKIT – Baukastensystem für Bohrlochsonden

Die Kommunikation zwischen der Servicetechnikerin bzw. dem -techniker übertage und der Sonde in der Tiefenbohrung erfolgt über ein Kabel, das sogenannte Wireline, mit bis zu 4,5 km Länge. Mit einer Datenübertragung (up-Kanal) von bis zu 6,5 mBit/s werden z. B. hochqualitative Live-Aufnahmen durch die Kamerasonde erzielt. Die Steuerung der Sonde durch die Servicetechnikerin bzw. den -techniker über das Wireline (down-Kanal) ist für unterschiedliche Kabeltypen und -längen ausgelegt. Für die Übertragungssicherheit sorgen Korrekturverfahren (Reed Solomon) und implementierte Protokolle.

• Adaptives Waterfilling und Verstärkungsregelung der OFDM Datenübertragung einer Geothermie-Bohrlochsonde bei unterschiedlichen Kabelarten (Michaelsen, F; 2017)
• Konzeptionierung eines Kabelmodems für ein Kamerainspektionssystem (Schubert, B., Flöter, M., Kühne, T., Keusgen, W.; 2015)

Als Basis eines Embedded Systems für Betriebstemperaturen von bis zu 200 °C wird zur universellen Auslegung/Anwendung ein FPGA mit der softcore-CPU „Leon3“ und dem Echtzeit-System RTEMS verwendet. Dieses System-on-Chip bildet die Steuerungseinheit der Bohrlochsonde. Modulator und Demodulator des up- und des down-Kanals sowie die IO-Schnittstellen sind als IPcore je nach Aufgabe integriert. In der Sonde und als Koppler zum Ethernet des Operator-PCs wird je ein High Temperature Embedded System (HiTES) Modul mit entsprechender Perpherieelektronik verwendet.

• Entwurf und Implementierung eines Phasenmodulationsverfahrens mit einem FPGA zur Realisierung der drahtgebundenen Kommunikation einer Bohrlochsonde (Friedrich Wiegel; 2013)
• Control and communication technologies for wireline borehole probes and inspection systems in hot geothermal environments (Stefan Dietze; 2020)

Die Energieversorgung von Bohrlochwerkzeugen erfolgt je nach Bedarf und Kabelwiderstand mit Gleichstrom (bis zu 500 V DC). Mit DC/DC-Wandlern in der Sonde werden entsprechende Spannungen in der Sonde eingestellt und je nach Aufgabe hohe Leistungen z. B. für das Kühlen der Kamerasensoren oder die Temperierung des Thermalwassers im Probennehmer bereitgestellt. Höhere Leistungen als von der Wireline zur Verfügung gestellt, werden durch eine auf Supercaps basierende Schaltung kurzzeitig bereitstellt.

• Energieversorgung und Ansteuerung für einen Hochleistungsmotor einer Bohrlochsonde zur Probennahme in heißer Umgebung (Kahl, C.; 2019)

Die extremen Umgebungsbedingungen in einer tiefen Geothermiebohrung erfordern den Einsatz von hochleistungsfähigen Gehäusewerkstoffen. Das Sondengehäuse schützt die innenliegenden Komponenten vor hohem Umgebungsdruck, Stößen, Reibung und dem korrosiven Thermalwasser. In der Praxis hat sich dafür die Nickelbasis-Superlegierung Inconel® 718 bewährt. Im Bereich der Kamera werden bevorzugt Transparentwerkstoffe wie Saphir oder Magnesiumspinell verwendet. So wird z. B. bei der inliCAM die Transparentkeramik Perlucor® eingesetzt. Beide Werkstoffe, Inconel® 718 und Perlucor®, führen durch ihre besonderen thermomechanischen Werkstoffeigenschaften zu einer relativ dünnen Wandstärke des Sondengehäuses. Folglich steht im Inneren der Sonde mehr Bauraum für die Dämmung, Aktoren und Sensoren zur Verfügung.

• Development of a research probe for geothermal boreholes (Isele, J., Holbein, B.; 2013)

Der Einsatz von Transparentwerkstoffen wie Saphir und Magnesiumspinell ermöglichen den Einsatz von optischen Sensoren zur Durchführung einer Inspektionsaufgabe unter widrigsten Umgebungsbedingungen. Ein entsprechendes Sondengehäuse besteht demnach aus einem Metall-Keramik-Verbund, der sehr schwierig technisch umzusetzen ist. Die unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften der artunterschiedlichen Werkstoffe Metall und Keramik verbieten einen direkten Verbund beider, sodass aufwendige Fertigungstechnologien wie z. B. das Aktivlöten verwendet werden müssen. Die Systemplattform liefert hier wichtiges Know-how sowie Fertigungstechnik zur Herstellung eines solchen Hochleistungsverbundes.

• Avoiding Thermal-Stress-Induced Failures by Design Optimization when Brazing Perlucor® to Inconel® 718 Components (Spatafora, L.; Isele, J.; Ritzhaupt-Kleissl, H.-J.; Hagenmeyer, V.; Aktaa, J.; 2019)

Der modulare Aufbau der Systemplattform hotToolKIT führt zu einem hohen Flexibilisierungsgrad. Je nach Bedarf können Sonden konfiguriert und eingesetzt werden. Die einzelnen Module (Universal- und Applikationsmodule) müssen dazu mechanisch und elektrisch koppelbar sein. Dies erfordert eine standardisierte Kupplung, die mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllt. Zum einen muss eine Kupplung die Gehäuse zweier Module druckdicht miteinander verbinden, zum anderen muss eine elektrische und datentechnische Verbindung realisiert werden. Damit der Wärmeeintrag aus der Geothermiebohrung ins Sondeninnere auf ein Minimum reduziert werden kann, muss die Sondendämmung auch im Bereich der Kupplung eingesetzt werden.

• Quality management and improvement for geothermal energy pro-jects using the platform-based tool development technology – ZWERG (Holbein, B.; Dietze, S.; Hurst, F.; Isele, J.; Spatafora, L.; Wiegel, F.; Hagenmeyer, V.; 2018)

Die Sonden der Systemplattform hotToolKIT sind für hohe Umgebungstemperaturen bis zu 200 °C ausgelegt. Die innenliegenden Sensoren und Aktoren können jedoch nur bedingt diesen Temperaturen ausgesetzt werden. Zum Stand 2021 gibt es z. B. keine Kamerachips, die Aufnahmen bei über 125 °C gewährleisten. Demnach müssen die temperatursensitiven Komponenten bestmöglich vor der Außenwärme geschützt werden. Dies erfolgt zum einem über eine Klimatisierung und zum anderen über eine Sondendämmung. Bei den hotToolKIT-Sonden befindet sich die Dämmung innerhalb des Sondengehäuses, sodass die darin befindlichen Komponenten durch das Gehäuse vor Druck und Stößen und durch die Dämmung vor dem Wärmeeintrag geschützt sind. Für die Systemplattform eignen sich Dewargefäße besonders gut. Diese erlauben eine relativ hohe Dämmwirkung bei gleichzeitig dünner Wandung und sind zudem temperaturstabil. Für die unterschiedlichen Anwendungen stellt die Plattform Stahl- und Glasdewars bereit.

• Quality management and improvement for geothermal energy pro-jects using the platform-based tool development technology − ZWERG (Holbein, B.; Dietze, S.; Hurst, F.; Isele, J.; Spatafora, L.; Wiegel, F.; Hagenmeyer, V.; 2018)

Die Einsatzdauer einer Sonde hängt stark mit der Verwendung zusammen. Eine Kamerasonde wird in der Regel innerhalb eines Arbeitstages eingesetzt, wobei eine Loggingsonde mehrere Monate im Einsatz sein kann. Entsprechend des Sondeneinsatzes kommen folglich unterschiedliche Kühlsysteme in Betracht. Bei kurzen Betriebszeiten genügt eine Passivkühlung auf Basis eines Phasenwechselmaterials wie Wasser und bei längeren Einsatzzeiten eine Aktivkühlung, bestehend aus einem Kühlaggregat. Für beide Anwendungen stellt hotToolKIT Lösungen bereit.

• Theoretische und Experimentelle Kältemittel- und Dichtungsauswahl und Komponentenentwicklung zur Langzeitkühlung von Elektronik in Untertagewerkzeugen (Holbein, B.; 2018)

Die Aufgaben von Bohrlochsonden in einer Geothermiebohrung sind vielfältig. Neben der optischen Inspektion oder dem Loggen von wertvollen Daten, fallen auch „schwere“ Arbeiten wie das Reparieren von Casings, Entnehmen von Proben oder das Fortbewegen der Sonden in der Horizontalen an. Für diese Arbeiten ist das hotToolKIT mit einem Hydraulikaggregat ausgestattet. Das Aggregat ist für Betriebstemperaturen von bis zu 200 °C und für kleine Bauräume von min. Ø 78 mm entwickelt worden. Mit Hydraulikventilen und -pumpen sowie einem Elektromotor mit entsprechender Regelung, können z. B. Thermalwasserproben entnommen werden.

• New downhole tool designs for EGS based on platform development approach (Holbein, B.; Isele, J.; Spatafora, L.; 2017)

Über das Thermalwasser einer Geothermiebohrung erhalten Geologen oder Kraftwerksbetreiber wichtige Informationen. Die Qualität der Messergebnisse hängt dabei vom Zustand der Thermalwasserprobe ab. Ändert sich bei der Entnahme der Druck und/oder die Temperatur der Probe und entspricht folglich nicht mehr dem Ursprungszustand, gehen wichtige Informationen verloren, die nicht mehr reproduziert werden können. Aus diesem Grund wurde bei der Entwicklung des Probennehmers inliSAMP auf eine In-situ-Probennahme geachtet, d. h. der Druck und die Temperatur werden bis zur Laboruntersuchung übertage konstant auf dem Entnahmelevel gehalten.

• WaSam, a Modularly Designed Fluid Downhole Sampler for Deep Geothermal Applications (Berentelg, G.; Spatafora, L.; Hagenmeyer, V.; 2020)