Adsorptionskühlung von Elektroniken und Sensoren in der Tiefbohrtechnik

Bei geothermischen Bohrungen und bei der Erschließung von High Pressure High
Temperature (HPHT) Öl- und Gas-Lagerstätten werden die unter Tage eingesetzten
Elektronik-Komponenten und Sensoren mit herausfordernden Umgebungsbedingungen
konfrontiert. Diese umfassen die beim Bohrprozess auftretenden
Vibrationen von 30 gRMS, hohe Umgebungsdrücke von 2000 bar sowie Temperaturen
von 200 - 300 Grad Celsius. Stand der Technik ist, dass für diese Temperaturen keine
zuverlässig operierende Elektronik und Sensoren für Measuring While Drilling
oder Wireline Instrumente existieren. Heutzutage gibt es somit keine kommerziell
verfügbare Technologie, die sicherstellt, dass Untertagewerkzeuge den Anforderungen
eines Einsatzes in tiefen und heißen Bohrlöchern standhalten. Da die
Bohrkosten bei der Tiefengeothermie 70% der Gesamtkosten ausmachen, wird von
einem Ölfeld-Service Unternehmen erwartet, dass es für die Erschließung heißer
geothermischer Reservoire bzw. von HPHT Lagerstätten, technische Lösungen entwickelt und realisiert.
Eine Lösungsmöglichkeit stellt hierbei ein aktives unter Tage Kühlsystem dar,
welches in Verbindung mit einer thermischen Isolierung, die Lebensdauer und
Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten erhöht bzw. einen Einsatz im Bohrloch
überhaupt erst ermöglicht. Auf Grund der Eigenschaft, im Bohrloch ohne externe
Energiezufuhr kontinuierlich und ohne bewegliche Komponenten Kühlleistung zur
Verfügung zu stellen, ergibt sich ein Adsorptionskühlsystem für eine unter Tage
Anwendung als ein geeignetes Kühlverfahren. Die Bedingungen im Bohrloch resultieren in besonderen Anforderungen an das Adsorbens. Eine Charakterisierung der Adsorptionskapazität verschiedener Adsorbentien für einen Einsatz unter Tage bei
Temperaturen von 200 - 300 Grad Celsius und hohenWasserdampfdrücken ist entscheidend für die Entwicklung eines unter Tage Adsorptionskühlsystems. Die gemessenen Adsorptionskapazitäten werden mit einem Modell zur Beschreibung des Gleichgewichtes der Adsorption erklärt. Verglichen werden des Weiteren Adsorbentien in verschiedener technischer Realisierung. Hierbei stellt sich heraus, dass gepresste und extrudierte kompakte Formkörper aus einem zeolithischen Molekularsieb die benötigte Länge eines unter Tage Adsorptionskühlsystems entscheidend verringern. Untersucht wird in dieser Arbeit auch der Einfluss von Luft auf den Adsorptionsprozess und die Folgen für die Entwicklung eines unter Tage Adsorptionskühlsystems sowie der Einfluss der Orientierung des Richtbohrsystems auf das Verhalten eines Adsorptionsbettes.
Die mechanische Stabilität geeigneter Adsorbentien gegenüber den beim Bohrprozess
auftretenden Vibrationen sowie der Aufbau und Test eines Funktionsprototypens,
der die Funktionsfähigkeit eines Adsorptionskühlsystems bei unter Tage Temperaturen
verifiziert, schließen die experimentellen Untersuchungen ab.