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3 Rohstoffe aus dem Meer – Chancen und Risiken

Wie und wo gefördert wird

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Die Suche nach Erdgas und Erdöl

Dass es bis heute trotz eines weltweit steigenden Energiebedarfs ausreichend Erdgas und Erdöl gibt, liegt unter anderem daran, dass in den vergangenen Jahrzehnten immer wieder neue Lagerstätten an Land und im Meer entdeckt worden sind, nicht zuletzt weil sich die Verfahren, mit denen sich Lagerstätten aufspüren lassen, weiterentwickelt haben. Die Suche nach Rohstoffen umfasst die Prospektion und die Exploration. Mit Prospektion bezeichnet man die Suche nach noch unbekannten Lagerstätten. Daran schließt sich die Exploration an, die genaue Untersuchung und Erschließung der gefundenen Lagerstätten und Rohstoffvorkommen. Hat man im Zuge der Explora-tion Vorkommen entdeckt, werden weitere Bohrungen durchgeführt, um die Größe und Ausdehnung der Lagerstätte einzuschätzen. Diese Phase wird als Bewertung bezeichnet. Ist die Lagerstätte ausreichend groß, beginnt man mit der Förderung. Die Prospektion beginnt damit, herauszufinden, ob in einem bestimmten Gebiet überhaupt Erdgas und Erdöl zu erwarten sind. Dazu werden zunächst Daten über die tiefen Gesteinsschichten beziehungsweise zur erdgeschichtlichen Entwicklung des Areals gesammelt. Zum Einsatz kommen auch Computerprogramme, mit deren Hilfe man die Erdgeschichte des Gebiets nachspielt, sogenannte Beckenanalysen. Diese Programme simulieren die jahrtausendelange Sedimentation in den prähistorischen Meeresbecken und die Wandlung vom Sediment zum Gestein in der Tiefe. Simuliert wird auch die Bildung von Rissen, Fallenstrukturen und Salzstöcken sowie die Auswirkungen der Erdkrustenbewegungen etwa aufgrund der Kontinentalverschiebung.
Abb. 1.17 > Die Schwerkraft der Erde ist an verschiedenen Punkten unterschiedlich groß. Sie hängt insbesondere von der Dichte des Gesteins ab. Mithilfe von Satelliten werden seit einigen Jahren sehr genaue Schwerkraftkarten erstellt. Gebiete mit großer Schwerkraft sind auf dieser Abbildung rot und leicht erhaben dargestellt. Regionen mit geringer Schwerkraft sind blau und als Vertiefung, als Delle, abgebildet. Fachleute bezeichnen die Erde als Gravitationskartoffel. © ESA 1.17 > Die Schwerkraft der Erde ist an verschiedenen Punkten unterschiedlich groß. Sie hängt insbesondere von der Dichte des Gesteins ab. Mithilfe von Satelliten werden seit einigen Jahren sehr genaue Schwerkraftkarten erstellt. Gebiete mit großer Schwerkraft sind auf dieser Abbildung rot und leicht erhaben dargestellt. Regionen mit geringer Schwerkraft sind blau und als Vertiefung, als Delle, abgebildet. Fachleute bezeichnen die Erde als Gravitationskartoffel.
Daran schließen sich ausführliche geophysikalische Untersuchungen an, mit denen der Untergrund wie ein Patient bei einer medizinischen Untersuchung durchleuchtet wird. Prinzipiell nutzt man an Land und im Meer die gleichen Verfahren. Für die Erkundung des Meeresbodens aber sind Flugzeug- und Schiffseinsätze und spezielle Geräte nötig. Wichtige geophysikalische Verfahren sind:

SEISMIK: Die Seismik ist das weltweit wichtigste Pros­pektionsverfahren. Die Methode funktioniert ähnlich wie die Ultraschalluntersuchung beim Arzt, bei der Ultraschallwellen von einem Schallkopf in den Körper geschickt werden und verschiedene Organe oder Knochen die Wellen unterschiedlich stark reflektieren. Aus diesem Reflexionsmuster erzeugt das Ultraschallgerät dann Bilder des Körperinneren. Bei der Seismik nun werden von Forschungsschiffen aus mit sogenannten Airguns akustische Wellen im Wasser erzeugt, die bis in den Erdboden dringen. Je nach Gesteinsart wandern sie unterschiedlich schnell. Im Untergrund werden die Wellen an den Gesteinsgrenzen reflektiert. Aus den Laufzeitunterschieden der Schallwellen können die Computer dann auf die Bodenbeschaffenheit schließen. Vor wenigen Jahrzehnten lieferte die Seismik nur einfache Schnitte durch den Untergrund. Heute kommt die moderne 3-D-Seismik zum Einsatz. Diese ist nicht zuletzt dank immer leistungsfähigerer Computer in der Lage, Bodenstrukturen und Lagerstätten auch räumlich darzustellen (Kapitel 3).

GRAVIMETRIE: Die Gravimetrie war eine der ersten geophysikalischen Techniken, die man bei der Suche nach Erdöl und Erdgas einsetzte. Die Methode macht sich die Schwerkraft (Gravitation) der Erde zunutze, die nicht an allen Punkten gleich stark ist, sondern von der vorhandenen Masse im Untergrund bzw. der Dichte des Gesteins abhängt. Mithilfe der Schwerkraftmessung kann man folglich verschiedene Gesteine oder Bodenstrukturen voneinander unterscheiden und damit auf mögliche Lagerstätten schließen. Allerdings muss der Unterschied zwischen den Gesteinen ausreichend groß sein. Das ist beispielsweise in den Erdschichten unter der Barentssee im Nordostatlantik der Fall. Hier gibt es große Salzstöcke, die eine wesentlich geringere Dichte als das umgebende Gestein haben. So lassen sich unter anderem Salzstockflanken und -überhänge entdecken. Die Schwerkraft wird mit Gravimetern gemessen, die auf Schiffen, Flugzeugen und seit etwa 10 Jahren auch auf Satelliten eingesetzt werden.
MAGNETIK: Die Erde besitzt ein Magnetfeld, das sich zwischen dem Nordpol und dem Südpol erstreckt. Dieses Magnetfeld ist sehr gleichmäßig. Allerdings können bestimmte Bodenstrukturen zu Abweichungen in diesem Magnetfeld führen, zu sogenannten magnetischen Anomalien, die messbar sind. Wie groß die Abweichungen sind, hängt unter anderem davon ab, wie stark der Untergrund magnetisiert ist. Diese Magnetisierung wiederum ist von den Eisenverbindungen abhängig, die im Untergrund enthalten sind: Magnetit, Maghemit und Hämatit. So ist Hämatit schwächer magnetisch als die beiden anderen Verbindungen. An einer Lagerstätte ist das Magnetfeld in der Regel schwächer, weil das Sedimentgestein, in dem Öl und Gas lagern, weniger magnetisch ist als das umgebende Gestein, beispielsweise vulkanisches Gestein. Magnetfeldmessungen werden meist von Flugzeugen aus mit hochempfindlichen Messgeräten gemacht. So lassen sich in kurzer Zeit große Flächen untersuchen.

ELEKTROMAGNETIK (Georadar): Bei elektromagneti-schen Verfahren werden wie bei der Rundfunkantenne elektromagnetische Impulse, in diesem Fall Radarwellen, ausgesendet. Ähnlich wie die Schallwellen bei der Seismik werden die elektromagnetischen Signale von Bodenstrukturen verändert.

Hat man mit den geophysikalischen Methoden ein Meeresgebiet erkundet, schließen sich Explorationsbohrungen an, die meist von schwimmenden Bohranlagen, sogenannten Halbtauchern, aus durchgeführt werden. Während des Bohrens wird das Bohrklein permanent von den Spezialisten an Bord untersucht. Von Interesse sind die Gesteinsart und das Alter sowie die Zusammensetzung der durchbohrten Schichten. Tonschiefer kann auf Muttergesteine hindeuten, Sandstein auf Lagerstätten. Die Überreste von Meeresorganismen wiederum, etwa die Kalkschalen von Meeresalgen, die zu bestimmten Zeiten und unter be-stimmten Klimabedingungen gelebt haben, geben Hinweise darauf, wie alt die Gesteinsschichten sind. Während des Bohrens wird außerdem ständig der Erdgas- und Kohlenwasserstoffgehalt des Bohrkleins gemessen. Gibt es konkrete Hinweise auf eine Lagerstätte, wird durch zusätzliche Bohrungen untersucht, wie groß die Lagerstätte ist, wie gut sich die Rohstoffe daraus fördern lassen und welche Qualität das Gas oder Öl hat. Erst wenn all diese Informationen vorliegen, kann die Förderung beginnen.
1.18 > Dank der Richtbohrtechnik können von einer Plattform aus Lagerstätten in weitem Umkreis erschlossen werden.
Abb. 1.18 >  Dank der Richtbohrtechnik können von einer Plattform aus Lagerstätten in weitem Umkreis erschlossen werden. © nach RWE Dea

Lieber horizontal als senkrecht

Um Gas- und Ölvorkommen zu erschließen, müssen mehrere Tausend Meter mächtige Gesteinsschichten durchbohrt werden. Dafür benötigt man baumstammdicke Bohrmeißel, die mit großen Zähnen aus Hartmetall oder Keramik besetzt sind. Die Bohrmeißel zertrümmern das Gestein. Sie werden heute meist durch eine Turbine bewegt, die hinter dem Meißel sitzt. Diese Turbine wiederum wird durch Spülflüssigkeit in Rotation versetzt, die man unter hohem Druck ins Bohrloch einpresst. Diese Spülflüssigkeit transportiert auch das zerkleinerte Gestein ab. Sie steigt mit dem Bohrklein auf, wird auf der Bohranlage gereinigt und dann wieder in die Tiefe gepumpt. Um den Bohrmeißel in die Erde zu treiben, wird das Bohrgestänge Stück für Stück um etwa 10 Meter lange Rohre verlängert, die angeschraubt werden. Dieses Rotary-Bohrverfahren ist seit rund 100 Jahren im Einsatz. Je nach Härte der durchbohrten Schicht wird ein Meißel mehr oder weniger schnell stumpf. Er muss dann ausgewechselt werden. Für eine 5000-Meter-Bohrung benötigt man ungefähr 30 Meißel. Um den Meißel auszuwechseln, wird das Bohrgestänge nach und nach aus dem Bohrloch gezogen, auseinandergeschraubt und anschließend wieder eingebaut. Ein Meißelwechsel dauert je nach Bohrlochtiefe unterschiedlich viele Stunden. Anfangs konnte man nur senkrecht in die Tiefe bohren. Um ein großes Gas- oder Ölfeld zu erschließen, musste man daher Bohrturm neben Bohrturm errichten, weil ein Bohrloch nicht reichte, um das Erdöl aus den weit entfernten Bereichen der Lagerstätte zu fördern. Inzwischen gibt es die Richtbohrtechnik, mit der man in Kurven bohren kann. Damit lassen sich von einer Bohrinsel aus viele Löcher in den Untergrund treiben und selbst mehrere Kilometer entfernte Gas- und Ölfelder erschließen.
1.19 > Damit sich das Bohrloch nach unten hin nicht teleskop-artig verengt, werden in jüngster Zeit auch spezielle dehnbare Rohre eingesetzt. Diese werden im Untergrund geweitet, indem man einen hydraulisch betriebenen Konus hindurchdrückt. Ein solches Verfahren wird Solid-Expandable-Tubular-Verrohrung genannt.
Abb. 1.19 >  Damit sich das Bohrloch nach unten hin nicht teleskop-artig verengt, werden in jüngster Zeit auch spezielle dehnbare Rohre eingesetzt. Diese werden im Untergrund geweitet, indem man einen hydraulisch betriebenen Konus hindurchdrückt. Ein solches Verfahren wird Solid-Expandable-Tubular-Verrohrung genannt. © nach RWE Dea
Bei den ersten Richtbohrverfahren war es zunächst nur möglich, in einem vorher genau eingestellten Winkel zu bohren. Dazu wurde in den vorderen Teil des Bohrgestänges, die Bohrkrone, ein Hydraulikmotor eingebaut, dessen Achse um wenige Grad zum Bohrgestänge gekippt war. Auch in diesem Fall wurde das Bohrgestänge vom Bohrturm aus angetrieben. Schaltete man nun den Hydraulikmotor zu, wurde die Bohrung um den vorgegebenen Winkel abgelenkt. Der Winkel betrug nur wenige Grad, sodass die Bohrung in weitem Bogen abgelenkt wurde. Diese Krümmung war so gering, dass sich das Bohrgestänge nur minimal verbog. Zudem kam dabei ein spezieller Stahl zum Einsatz, der leicht gebogen werden konnte, ohne zu brechen – so wie ein Strohhalm, der sich ein wenig biegen lässt, ohne zu knicken. Mit modernen Richtbohrverfahren hingegen kann man die Richtung während des Bohrens verändern. Dazu wird hinter der Bohrkrone eine Steuereinheit mit sogenannten Steuerrippen, der Steuersub, montiert. Dieser sitzt wie ein Ring auf dem Bohrgestänge, das von der Bohranlage angetrieben wird. Die Steuerrippen lassen sich hydraulisch gegen die Bohrlochwand pressen und der Steuersub auf diese Weise verkeilen. Dadurch wird eine Kraft aufgebaut, die die Bohrkrone von ihrem Pfad ablenkt. Indem man jeweils andere Steuerrippen aktiviert und gegen die Wand presst, kann man die Bohrkrone in jede gewünschte Richtung ablenken. Sensoren überwachen während des Vortriebs die Lage der Bohrkrone im Raum. Über eine Computersteuerung wird der Kurs bei Bedarf automatisch korrigiert. Die Motoren und Generatoren für die Hydraulik sitzen direkt hinter dem Steuersub.
Heute sind Bohrspezialisten in der Lage, Horizontalbohrungen mit einer Länge von mehr als 12 Kilometern durch den Erdboden zu treiben, sogenannte Extended-Reach-Bohrungen. Zudem ist es möglich, aus einer Horizontalbohrung weitere Bohrungen abzweigen zu lassen. Experten sprechen von Multilateralbohrungen. Wie das Wurzelwerk eines Baumes verästeln sich solche Horizontalbohrungen, wodurch die Vorkommen sehr gut erschlossen werden können. Extended-Reach-Bohrungen werden unter anderem dafür eingesetzt, um von Land aus Offshore-Lagerstätten zu erschließen. Diese Methode wird seit vielen Jahren zum Beispiel bei der Erdölförderung an der deutschen Nordseeküste sowie bei aktuellen Projekten im Kaspischen Meer eingesetzt. Wichtig für eine erfolgreiche Bohrung ist die Spülung des Bohrlochs mit einer wässrigen Lösung. Sie transportiert nicht nur das Gestein ab, sondern kühlt auch den Meißel – und sie erzeugt durch ihr Eigengewicht einen Gegendruck, der die Bohrlochwand stützt und verhindert, dass sie einstürzt. Die wässrige Lösung wird durch das Bohrgestänge bis hinab zum Bohrmeißel gepumpt und tritt dort in den Spalt zwischen Bohrgestänge und dem umgebenden Stein ein. In diesem Spalt steigt sie auch wieder nach oben. >
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