Experimentelle Untersuchung und Auswertung eines neuen, selbst-pulsierenden und selbstkavitierenden Wasserstrahlgeräts für Mikrobohrlöcher

Die Nutzung nachhaltiger Energieressourcen ist in der heutigen Zeit unvermeidbar. Jedes Jahr steigt der Anteil der erneuerbaren Energieressourcen in Deutschland und damit auch der Anteil der geothermisch erzeugten Energie. Das größte thermische Potential liegt in tiefen, harten Formationen. Da die Bohrkosten mit zunehmender Tiefe exponentiell ansteigen, ist die tiefe Geothermie ein kostenintensives Unterfangen, bei dem Kostensenkungen gefragt sind. Eine Maßnahme zur Kostenreduktion ist das wasserstrahlbasierte Bohren. Dabei wird das Gestein nicht durch mechanische Bearbeitung mittels Bohrmeißel, sondern durch die hydraulische Energie eines Hochdruckwasserstrahls abgetragen. Kavitation und auch der durch Pulsation periodisch aufkommende Wasserhammereffekt steigern den Gesteinsabtrag und führen somit zu einem effizienteren Bohrfortschritt.
Die in dieser Studie betrachtete Wasserstrahldüse ist eine selbst-resonante Düse. In dieser kavitiert und pulsiert der Wasserstrahl aufgrund in einer Resonatorkammer aufkommenden Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten.
Für die Experimente wurde ein Prüfstand aufgebaut, der aus einer Hochdruckpumpe, einem Autoklaven mit Sichtfenstern und Messtechnik besteht. Die Düse wurde im Autoklaven mit einstellbarem Zellendruck untersucht. Ziel der Experimente war es, die Pulsationsfrequenz sowie die Wolkengröße der Kavitation mittels AE (acoustic emission) -Sensorik messen zu können. Die Messdaten wurden durch eine optische Überwachung mit Hilfe von Schattenbildverfahren verifiziert. Zu diesem Zweck wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera mit bis zu 1.000.000 Bildern pro Sekunde eingesetzt.
Die Experimente haben nachgewiesen, dass eine Korrelation zwischen den AE-Messdaten und der durch Schattenbildverfahren gemessenen Wolkengröße besteht. Darüber hinaus konnte die Pulsationsfrequenz der Kavitationswolken durch AE-Sensorik gemessen werden. Außerdem haben die Experimente gezeigt, dass die Pulsationsfrequenz und die Wolkengröße in Abhängigkeit zum Druckverhältnis Zellendruck/Düsenvordruck, sowie auch zum Düsenvordruck stehen.