Donaudüker: HDD-Großbaustelle auf dem Balkan

OLDENBURG, 13.03.2017 – Bei der ersten großen HDD-Baustelle auf dem Balkan hatte LMR bei der Unterquerung der Donau zwischen Bulgarien und Rumänien eine Reihe bohrtechnischer Probleme zu lösen. Vor allem die schwierige Geologie und der Zeitdruck waren große Herausforderungen.

von Ernst Fengler, LMR Drilling GmbH

Rohrbautrasse

Rohrbautrasse

Die bulgarischen und rumänischen Regierungen haben sich vor einigen Jahren bei der EU um eine Kofinanzierung für die Instandsetzung des bestehenden grenzüberschreitenden Gasversorgungsnetzwerkes bemüht. Aus diesen Aktivitäten ist eine Ausschreibung hervorgegangen, die zum Inhalt hatte, dass unter der Donau zwischen Comasca, Rumänien und Marten, Bulgarien, drei Rohrleitungen verlegt werden sollten. Diese zielten darauf ab, vorhandene, in den 50er Jahren offen verlegte Düker zu ersetzen, die gegenwärtig, bedingt durch den maroden Zustand, nur noch im Niedrigdruckbereich betrieben werden können. Diese Arbeiten sahen im Sinne eines EPC-Vertrags vor, drei Horizontalbohrungen von jeweils 2.100 m Länge für ein Kabelschutzrohr DN 150 = 6“ und zwei Gasleitungen DN 500 = 20“, einschließlich aller Nebenarbeiten, auszuführen.
Im Frühjahr 2016 bekam das Bieterkonsortium Habau PPS Romania und Inspet den Zuschlag für die Ausführung. Wichtig dabei war, dass die Maßnahmen bis Weihnachten 2016 abgeschlossen sein mussten, da sonst eine Kofinanzierung durch die EU entfallen wäre.

Das Bohrkonzept

LMR wurde von dem Konsortium mit der Ausführung der HDD-Bohrarbeiten für die zwei 20“ Gasleitungen beauftragt. Das Besondere an diesen Arbeiten war der Baugrund; dieser war zum Zeitpunkt der Beauftragung mangelhaft untersucht worden und es gab warnende Gerüchte bzgl. des Scheiterns der Bohrarbeiten der vorher tätigen rumänischen Bohrfirma. Mit diesem Hintergrund hatte LMR ein Bohrkonzept erstellt und angeboten, das verschiedene absehbare Szenarien und Risiken abdeckte. Die wesentlichen Annahmen waren, dass der Baugrund auf den ersten 120 m der Bohrlinie massiv gestört ist und dass auf der restlichen Bohrstrecke Spülungsverluste zu erwarten waren. Dementsprechend war vorgesehen, die ersten 120 m des Bohrloches zu verrohren und für den Rest der Bohrstrecke ein Konzept zu haben, mit dem schweren Spülungsverlusten begegnet werden konnte. Das Bohrkonzept sah außerdem vor, nur mit einem Bohrgerät, von der bulgarischen Seite aus, die Bohrarbeiten durchzuführen.

Schwieriger Baugrund


Nach einer intensiven Phase der Arbeitsvorbereitung für die Bohrarbeiten begannen die vorbereitenden Arbeiten im Juni. Dazu wurde mit Hilfe eines spezialisierten Subunternehmers die Verrohrung der beiden Bohrlöcher über jeweils 120 m Länge durchgeführt. Da die Eintrittspunkte der Bohrung dicht zu einem Geländeversatz lagen, bei dem die Geländeoberfläche ca. 15 m zur Donau hin abfiel, hatten diese Schutzrohre auch das Ziel, Spülungsausbrüche an der Oberfläche zu vermeiden.
Parallel dazu fand eine Baugrunduntersuchungskampagne statt, die die gesamte Bohrtrasse für beide Bohrungen abdeckte. Diese sah zunächst zehn Kernbohrungen in Tiefen von bis zu 100 m vor, die Grundlage für eine umfangreiche geophysikalische Bodenuntersuchung war, mit der Schichtenverläufe und -grenzen erkannt werden sollten. Das Resultat bzw. die Aussage dieser Kampagne war ungünstig: Der Baugrund auf der bulgarischen Startseite war großflächig von tektonischen Störzonen mit geringen Abständen zueinander durchsetzt. Der Rest der Bohrtrasse erwies sich auch nicht als viel besser, außer dass sich die Häufigkeit der dann bekannten Störzonen sich von fünf Störzonen auf den ersten 200 m Bohrstrecke auf zehn weitere Störzonen auf den verbleibenden 1.900 m Bohrstrecke reduzierte. Ansonsten war klar, dass mehr oder weniger klüftiger Kalkstein mit einaxialen Druckfestigkeiten zwischen 30 und 160 MPa (hart wie Porzellan) zu durchfahren war.

Bohrplatz
Bohrplatz HDD 1 Blick von Westen nach Osten

Spülungsverluste


Erwartungsgemäß klappte der Schutzrohreinbau gut und konnte nach fünf Wochen für beide Bohrungen abgeschlossen werden. Dem folgte der Aufbau der HDD-Bohrausrüstung und am 2. Juli 2016 wurde der Bohrbetrieb aufgenommen. Bald darauf wurde die erste Störzone angebohrt und, nicht ganz überraschend, stellten sich augenblicklich totale Spülungsverluste ein. Die Geschwindigkeit, mit der die Bohrspülung weglief, war allerdings für das Fachpersonal auf der Baustelle überraschend, so dass sich der Eindruck ergab, eine Vakuumblase angebohrt zu haben, die innerhalb weniger Sekunden mehr als 60 m3 Spülung schluckte.
Der nächste Monat war geprägt von Zementationen, mit denen diese Stör- und Verlustzonen abgedichtet bzw. verfüllt wurden. Dabei wurde auf Zementationstechnik aus dem Ölfeld zurückgegriffen. Zusätzlich wurden neuartige Zementrezepturen auf der Baustelle entwickelt, die ein immer effizienteres Vorgehen beim Dichtsetzen ermöglichten. Gleichzeitig wurde die Pilotbohrung vorangetrieben.

Die Zeit drängt


Die Häufigkeit der Zementationen bestätigte negative Prognosen der Baugrunduntersuchungen, dass trotz des Verpumpens großer Volumina an Dicht- und Füllmaterial, extrem hohe Durchlässigkeiten bzw. große Kluftweiten im Baugrund angetroffen wurden, die wahrscheinlich in Verbindung mit fließendem Grundwasser zu einem schnellen Abtransport des Dicht- und Füllmaterials führten. Da diese Häufigkeit der Zementationen für alle Beteiligten überraschend war und diese eine unerwünschte Verzögerung der Bauzeit nach sich zogen, begannen nach zwei Wochen erste Überlegungen, wie man die beiden Bohrungen in der vorgegeben Zeit (vor Wintereinbruch) fertigstellen könnte. Ende Juli waren 38 % der ersten Pilotbohrung fertig, dazu wurden aber bereits 115 % der dafür zur Verfügung stehenden Bauzeit genutzt. Guter Rat war teuer, Überlegungen gingen ergebnisoffen in alle Richtungen. Der Bauherr und die Baufirmen standen mit dem Rücken zur Wand, da die vorstehende Bauzeitenanalyse und eine entsprechende Extrapolation des Zeitstrahls deutlich zeigten, dass, wenn überhaupt, nur die erste Bohrung bis Weihnachten 2016 fertig gestellt werden würde. Das hätte dann die Kofinanzierung durch die EU zumindest in Frage gestellt.

Bohrarbeiten rund um die Uhr


Letztendlich wurde gemeinsam mit dem HU und dem Bauherren die Entscheidung getroffen, die Bohrung zur Not auch mit vollen Spülungsverlusten durchzuführen. Dazu wurde einiges an zusätzlicher Spezialausrüstung von LMR mobilisiert. Um sicherzustellen, dass der Endtermin gehalten werden konnte, wurde außerdem beschlossen, die Bohrarbeiten mehrschichtig im 24-Stunden-Betrieb an sieben Tagen die Woche fortzusetzen. Damit gelang es dann, die erste Pilotbohrung am 27. August um 23:28 Uhr fertig zu stellen. Das war für alle Beteiligten eine große Erleichterung, da zwischenzeitlich und insbesondere zum Ende der Pilotbohrung extrem hohe Drehmomente (> 80 KNm) und Druckkräfte (> 900 KN) erforderlich waren, die nur durch LMRs überschweres Bohrgestänge handhabbar waren, um die Pilotbohrung zu einem glücklichen Ende zu führen.
Hole-Opener nach Aufweiten HDD 1

Bohrlochbefahrung und Aufweitung

Anschließend begann die Aufweitung des Bohrloches. Diese musste aber bald abgebrochen werden, da auf den ersten zehn Bohrstangen (von 215) die Drehmomente dauerhaft im Überlastbereich > 90 KNm lagen. Ein hydraulischer Drehmotor der Bohranlage ging dabei zu Bruch. Um weiteren Schaden abzuwenden, wurde auf der Baustelle der defekte Motor von der Bohrmannschaft repariert und modifiziert. Zusätzlich fand eine Befahrung des Bohrloches mit einem speziell auf diese Bedürfnisse zugeschnittenen, von LMR entwickelten Bohrwerkzeug statt, das darauf abzielte, die am Bohrstrang aufgetretenen Kräfte zu reduzieren.
Nach dieser Bohrlochbefahrung (Check-Trip) konnte das Bohrloch erfolgreich aufgeweitet werden. Das Aufweiten des Bohrloches war ein verhältnismäßig aufreibender Vorgang, da das Bohrgestänge eine 2.100 m lange Antriebswelle für das Aufweitwerkzeug, einen Hole-Opener, darstellt. Die Handhabung der Bohrgarnitur durch die Geräteführer war eine schwierige Aufgabe, da der Bohrstrang über solche Längen dazu neigt, sich mehrfach zu verdrillen, bevor das Bohrwerkzeug auf der Bohrlochsohle überhaupt beginnt zu arbeiten. Gleichzeitig kommt bei Felsbohrungen die Besonderheit dazu, dass solche Werkzeuge gelegentlich haken, also eher ungleichmäßig laufen. Das damit einhergehende Risiko sind Gestängebrüche und das Lösen von verschraubten Verbindungen. Zu einem Gestängebruch kam es beim Aufweiten nicht, wohl aber stellte sich die Situation ein, dass sich einmal der Bohrstrang im Bohrloch, bedingt durch den „Slip-Stick-Effekt“, entschraubte. Glücklicherweise gelang es sofort, die Bohrstränge wieder zu verbinden, was dem besonnenen und weitsichtigen Agieren des Bohrgeräteführers geschuldet war. Durch ein anschließendes Nachverkontern des Bohrstrangs konnte die Aufweitung des ersten Bohrloches erfolgreich abgeschlossen werden.

Angepasstes Bohrkonzept


Während der Aufweitung des Bohrloches wurde mit dem Hintergrund des sich nähernden Winters mit dem HU und dem AG besprochen, was auf der zweiten Bohrung unternommen werden konnte, um diese schneller und sicherer auszuführen. Aus diesen Gesprächen resultierte ein angepasstes neues Bohrkonzept, das zusammengefasst vorsah:
- die Verwendung modifizierter Bohrgarnituren und -programme,
- die Strecke, auf denen Zementationen durchgeführt werden sollten, zu reduzieren,
- die Pilotbohrarbeiten mit zwei Bohranlagen auf der Basis eines „Meeting in the Middle“ zu machen und Spülungsverluste, wenn sie denn auftreten würden, hinzunehmen,
- frühest möglich auf der Basis von 24 Stunden an sieben Tagen zu arbeiten.
Dem ersten Rohreinzug folgte ein berauschendes Rohrfest und das Umsetzen der Bohranlage bzw. der parallele Aufbau der zweiten Bohranlage auf der rumänischen Baustelle bei Comasca.

Austrittspunkt
Austrittspunkt Rohreinzug HDD 1 | Fotos: LMR

Pilotbohrung


Dann ging die Pilotbohrung los. Diese verlief auf der rumänischen Seite weitgehend frei von Problemen, bis schließlich bei ca. 1.400 m Bohrstrecke gestoppt wurde, um auf den von Bulgarien kommenden „Piloten“ zu warten. Die von Bulgarien kommende Pilotbohrung verlief zunächst auch wesentlich besser als geplant. Es war lediglich eine Zementation (im Vergleich zu > 8 auf HDD 1) erforderlich. Dann wurde ungewollt nach ca. 400 m Bohrstrecke die Bohrgarnitur stark abgelenkt. Die dort angetroffenen, unvorteilhaft zur Bohrlinie verlaufenden, lokal stark karstigen und stark wechselhaft harten Formationen („Felslasagne“), machten eine zeitaufwendige Korrektur der Bohrlinie erforderlich. Nach mehreren Tagen war das geschafft und dann konnte bis hin zum „rumänischen Piloten“ gebohrt werden; das „Meeting“ fand statt. Dabei passierte zunächst der bulgarische Pilot den rumänischen Piloten. Mit Hilfe spezieller Bohrlochvermessungswerkzeuge konnte der Abstand der beiden Bohrlochvermessungssonden zueinander ermittelt werden. Darauf basierend wurden Kurskorrekturen berechnet, die Pilotbohrung fortgesetzt, der vorstehende Vorgang mehrfach wiederholt, bis schließlich der bulgarische Pilot in das Bohrloch des rumänischen Piloten unter Einhaltung elastischer Biegeradien des Produktrohrs für den Lastfall Druckprobe eintrat. Danach wurde der rumänische Pilot rasch ausgebaut und der bulgarische Pilot hinterher geschoben. Das klappte hervorragend – bis acht Bohrstangen vor Austritt auf der rumänischen Seite der Pilotmeißel den Bohrkanal ins weiche Erdreich verließ. Obwohl das in spülbaren, weichen Böden geschah, gelang es mit der zu diesem Zeitpunkt montierten Felsbohrgarnitur, zielorientiert den rumänischen Austrittsunkt zu erreichen. Die damit verbundene „Notaktion“ war nicht geplant, führte aber im Sinne von „der Zweck heiligt die Mittel“ zum Ziel.

Aufweiten des zweiten Bohrloches


Nach dem schließlich erfolgreichen Ende der Pilotbohrarbeiten fand das Aufweiten des Bohrloches statt. Mit den Erfahrungen, die auf der ersten Bohrung gesammelt wurden, war die Zielsetzung erneut, ein Auftreten von hohen Drehmomenten am Bohrstrang zu vermeiden. Um dieses Ziel umzusetzen, wurde die auf der rumänischen Seite der Baustelle stehende Bohranlage durch LMR modifiziert, so dass beide Bohranlagen den im Bohrloch befindlichen Bohrstrang gemeinsam rotieren und ziehen, bzw. schieben konnten. Mit dieser Verfahrensänderung konnten die am Bohrstrang wirkenden Drehmomente von 90 – 100 KNm (HDD 1) auf 10 – 65 KNm (HDD 2) reduziert werden. Der Bohrfortschritt beim Aufweiten des Bohrloches konnte damit signifikant verbessert werden. Das Aufweiten des zweiten Bohrloches nahm zehn Tage in Anspruch und war damit im Bereich der ursprünglich kalkulierten Ansätze. Trotz der beim Pilotbohren angetroffenen Verlustzonen gelang es mit einer speziellen Spülungskonfiguration und -konditionierung, den Spülungsrückfluss beim Aufweiten des Bohrloches über fast 1.800 m aufrecht zu erhalten.

Check-Trip bestätigt Qualität


Nach dem Aufweiten des Bohrloches wurde ein Check-Trip durchgeführt. Dieser diente dazu, sicherzustellen, dass das Bohrloch frei von Hindernissen ist. Der Check-Trip wurde außerdem genutzt, um einen Abgleich der auf den Bohrstrang wirkenden Kräfte während der Pilotbohrung und des Aufweitens zu machen. Diese Kräfte wurden auch mit den Werten der ersten Bohrung verglichen. Mit dem Check-Trip konnte die gute Qualität des Bohrloches bestätigt werden und der Rohreinzug konnte anschließend mit großem Erfolg innerhalb von 18 ½ Stunden durchgeführt werden. So war dann schließlich das zweite Rohr am 4. November lokaler Zeit eingezogen, deutlich vor dem Beginn des Winters und zur großen Freude der Bauherren, des Hauptunternehmers und auch zur großen Erleichterung von LMR.



Diesen Bericht lesen Sie auch in unserer aktuellen Ausgabe (1/17) der B_I umweltbau.