miniatur|hochkant|Drehtischantrieb im Rotary-Bohrverfahren miniatur|Rollenmeißel beim Einbau in eine Drehtischanlage
Das Rotary-Bohrverfahren ist ein Verfahren bei geologischen Bohrungen und wird hauptsächlich bei senkrechten oder schwach geneigten Tiefbohrungen nach Erdöl, Erdgas oder bei Geothermiebohrungen eingesetzt. Das wesentliche Merkmal des Rotary-Bohrverfahrens besteht in einem rotierenden Bohrgestänge. Während über lange Zeit des 20. Jahrhunderts mit Drehtischantrieb und einem klassischen pyramidenförmigen Turm (engl. Rig) gearbeitet wurde und viele Arbeiten manuell durchgeführt werden mussten, arbeiten moderne Anlagen häufig mit Masten, das Bohrgestänge wird über einen Kraftdrehkopf angetrieben und die Arbeit ist hochmechanisiert.
Bestandteile eines klassischen Bohrturms mit Drehtischantrieb Das Rotary-Bohrverfahren wurde vor allem in den USA entwickelt und perfektioniert, so dass viele englischsprachige Begriffe unübersetzt im Deutschen verwendet werden. Auch in der deutschen Sprache gibt es eigene Fachbegriffe oder Fachbegriffe aus dem Bergbau, die, um die einzelnen Prozesse beim Bohren zu verstehen, erst einmal erklärt werden müssen.
Wenn die Stangen untereinander oder mit der Zugkappe oder dem Meißel verschraubt werden, muss die Verschraubung mit einem hohen Drehmoment angezogen werden. Dies wird kontern genannt. Beim Auseinanderschrauben muss dieses Drehmoment wieder gelöst werden. Dieses nennt man brechen. Das hohe Drehmoment wird beim klassischen Rotaryverfahren mit den Rotary-Zangen, auch Maschinenzangen genannt, aufgebracht. Muss der Bohrmeißel gewechselt werden, so muss das gesamte Gestänge vom Kelly bzw. der Bohrstange (daher der Name Kellybohrverfahren) am Kraftdrehkopf bis hin zum Meißel gezogen und dann wieder eingesetzt werden. Dieser Prozess wird Round Trip genannt. Beim Ziehen des Bohrgestänges wird der Spülkopf gegen den Elevator getauscht, einen Greifer, der den Kopf des Gestänges fasst. Beim hochmechanisierten Verfahren mit Kraftdrehkopf wird der Elevator meistens hydraulisch vor den Drehkopf geschwenkt. Der Zug: Beim Round Trip werden bei höheren Bohrtürmen nicht alle Stangen auseinandergeschraubt, sondern sie werden in Verbänden zu mehreren Stangen (je nach der Höhe des Bohrturms beim Double Stand zwei Stangen, beim höheren Triple Stand drei Stangen) in der Fingerbühne abgestellt. Solch einen Verband nennt man einen Zug. Im Single können keine Züge abgestellt werden, bestenfalls die einzelnen Bohrstangen. Muss der Bohrstrang um eine weitere Stange ergänzt werden, nennt man dies Nachsetzen. mini|400px|Schemazeichnung eines Bohrturms Tank bzw. Teich für die Bohrspülung Rüttelsieb Shale Shakers und Fliehkraftabscheider Desilter und Desander'. Hier wird das Bohrklein, also das ausgebohrte Gestein, von der Bohrspülung getrennt. Saugrohr der Spülpumpen Spülpumpe Bohrturmantrieb (meist Dieselmotoren) Das Hochdruckschlauchstück zwischen Spülpumpe und Standrohr wird im Englischen Vibrating Hose genannt, weil es auf Grund der Druckstöße der Pumpe stark schlagen oder vibrieren kann. Hebewerk als Hauptzug Standrohr der Bohrspülungszuleitung, Rig standpipe Schlauch zum Spülkopf, Kelly-Schlauch, Kelly Hose Rohrkrümmer für den Spülschlauch, auch Schwanenhals, Goose Neck, genannt Kloben, Traveling Block. Der Kloben ist die Unterflasche des Flaschenzugs des Hebewerks. Seil des Hebewerks, Drilling Line Turmrollenlager, Crown Block. Das Turmrollenlager ist die Oberflasche des Flaschenzugs des Hebewerks. Bohrturm-Rahmenkonstruktion, Derrick Affenbühne, Gestängebühne oder Aushängebühne, Monkey Board: Hier werden durch den Bühnenmann beim Round Trip die Züge aus dem Elevator gelöst und in die Fingerbühne gestellt, die sich direkt an die Affenbühne anschließt. Züge des Bohrgestänges, Stand (of drillpipes) Boden des Lagers für die Züge, meist aus Holz, damit die Gewinde der Züge nicht beschädigt werden. Spülkopf Kelly, die Mitnehmerstange. Das Kelly ist ein prismatisches Rohr mit quadratischer, hexagonaler oder oktogonaler Grundfläche. Oben und unten an dem Kelly befinden sich die für das Bohrgestänge üblichen Kegelgewinde. Drehtisch. Der Dreh- oder Bohrtisch ist vereinfacht eine horizontale kreisförmige Platte mit einer zentralen Bohrung, die sich in den Anfangszeiten auf der Arbeitsbühne befand, in moderneren Anlagen in die Arbeitsbühne eingelassen ist und durch die das Bohrgestänge eingefahren wird. Der Drehtisch wird von einem großen Kugellager geführt und wird durch den Bohrturmantrieb in Drehung versetzt. Er besitzt Bohrungen für die Zapfen des Mitnehmers, der dann das Kelly dreht. Arbeitsbühne oder Tisch Spülungsauslauf, Bell Nipple und 24. Bohrlochkontrollvorrichtung, Blow-Out-Preventer (BOP) 25. Bohrgestänge 26. Bohrmeißel 27. Kopf der Verrohrung 28. Bohrspülungsrückleitung
Hier nicht abgebildet befindet sich neben dem Drehtisch leicht schräg in den Untergrund führend ein Rohr, in dem die nächste Bohrstange zum Verlängern des Gestänges vorgehalten wird, das Mousehole. Manche Bohrtürme besitzen ein zweites Abstellrohr, in das die Kelly gestellt werden kann, das dann als Rathole bezeichnet wird.
Der Bohrturm besitzt weitere wichtige Betriebsmittel, die nicht abgebildet sind:
Neben dem Hebewerk besitzt der Turm zusätzliche Kettenzüge oder Seilzüge als Hilfswinden, die sogenannten Luftwinden. Mit einem horizontalen Seilzug oder Spill auf der Affenbühne werden die Schwerstangen durch zwei Bühnenmänner in die Fingerbühne geholt. Die Zangen und andere schwere Werkzeuge hängen an eigenen Luftwinden. Die einzelnen Bohrstangen werden mit einer Luftwinde vom horizontalen Stangenlager vom Catwalk über die Rampe (Pipe Ramp) durch die Tür gezogen und ins Mouse Hole gestellt.
Auf dem Tisch stehen die Absetzkeile (Slips), mit dem das Bohrgestänge abgefangen wird, damit es nicht ins Bohrloch zurückfällt, wenn es aus dem Bohrloch gezogen wird. Beim Nachsetzen einer Bohrstange benutzt man die Handkeile, beim Round Trip gibt es auch Automatikkeile, die während des Trips im Loch des Drehtisches verbleiben und so nicht immer wieder hochgehoben werden müssen.
Mit den Rotary-Zangen werden die Stangen nach dem Verschrauben fest angezogen (gekontert) und wieder voneinander gelöst (gebrochen). Wurden ursprünglich die Rohre noch mit der Spinkette verschraubt und dann mit den Zangen gekontert, so gab es später bei diesem Verfahren mechanische Hilfsmittel zum Drehen der Rohre, die Spinner wie z. B. den Spinnerhawk und für die Kelly-Stange den Kellyspinner, und das nicht ganz ungefährliche Arbeiten mit der Spinkette wurde auf Ausnahmefälle begrenzt. Wurden die Zangen zu Anfang noch mit Muskelkraft betätigt, so brachte man später die Kraft zum Kontern oder Brechen mit Spills und heute mit meist hydraulisch angetriebenen Seil- oder Kettenzügen auf, die Katzenköpfe (Catheads) genannt werden. Mit der fortschreitenden Mechanisierung der Arbeit wurden zuerst die hydraulischen Zangen eingeführt. Schließlich wurden Spinner und Zangen zum Iron Roughneck auch Hydraulic Roughneck genannt, einer hydraulischen Brech-/Kontervorrichtung vereinigt.
Prozesse und technische Entwicklungen Je größer die Teufe (Tiefe) ist, in die eine Bohrung vorgetrieben werden soll, desto größer ist der technische Aufwand. Grob kann gesagt werden, dass mit steigender Teufe mit einem größeren Bohrlochdurchmesser begonnen werden muss. So wird verständlich, dass sich die Bohrstangen bei den ersten Rotary-Bohrungen ab 1901 noch von Hand mit der Kettenrohrzange Kontern und Brechen ließen, heute zum Kontern und Brechen jedoch kraftbetriebene Arbeitsmittel wie schwere Zangen, die über Katzenköpfe betätigt werden, hydraulische Rohrzangen oder Iron Roughnecks verwendet werden müssen.
Die Länge einer normalen Bohrstange beträgt ca. 9 m. Wenn nach Verschleiß des Meißels das komplette Bohrgestänge gezogen werden muss, so bedeutet dies, dass bei einer nur mitteltiefen Bohrung von ca. 2000 m Teufe schon 222 Stangen gezogen, gebrochen, auseinandergeschraubt, abgestellt, zusammengeschraubt und gekontert werden müssen. Die Arbeit der Roughnecks genannten Arbeiter auf der Arbeitsbühne und des Derrick Man genannten Arbeiters auf der Affenbühne ist aus Sicht der Arbeitssicherheit nicht ungefährlich, es sind schwere Teile zu bewegen, man arbeitet in der Nähe ungeschützter und sich mit hohen Kräften und Energien bewegender Teile, teilweise in schwindelnder Höhe, und auch gerade bei Bohrarbeiten gilt: Zeit ist Geld. Dazu kommt noch, dass bei einer Tiefbohrung teilweise hoch brennbare Gase und Flüssigkeiten ausbrechen können. Der technische Fortschritt bezog sich deshalb beim Rotary-Verfahren vor allem auf die Bemühungen, die Arbeit schneller und sicherer zu machen und mit möglichst wenig Personal auszukommen. Unabhängig von den Eigenschaften des zu durchbohrenden Gebirges bestimmt die Zeit, die zum Verschrauben und Kontern bzw. zum Brechen und Auseinanderschrauben des Gestänges benötigt wird sowie die Geschwindigkeit des Hebewerks die Tripgeschwindigkeit (ungefähr entsprechend den englischen Begriffen Trip Speed oder Tripping Speed) und ist ein wichtiger Kostenfaktor einer Tiefbohrung. Wenn für das Ziehen oder Nachsetzen einer Stange oder eines Strangs eine Zeit von 2 Minuten angegeben wird, lassen sich in einer Stunde 30 Stränge nachsetzen. Im englischen Sprachraum würde eine Tripping Speed von 30 Stands per hour angegeben (30 Züge pro Stunde). Deutsche Hersteller geben die Tripgeschwindigkeit in Metern pro Stunde an. Hier wird also auch die Länge des Zugs einbezogen. Dieses Leistungsmaß eines Bohrturms zeigt, dass seine Leistungsfähigkeit unter anderem von seiner Höhe abhängt, denn je höher ein Bohrturm ist, desto länger sind die Züge, die abgestellt werden können. Bohrtürme werden unter anderem nach der Länge ihrer Züge typisiert: Single entspricht einem Rohr, dieses entspricht 30 Fuß oder 9 m Double entspricht zwei Rohren, dieses entspricht 60 Fuß oder 18 m Triple entspricht drei Rohren, dieses entspricht 90 Fuß oder 27 m
Vereinzelt wurde auch von Anlagen mit Zügen von vier Rohrlängen berichtet.
Ein Single besäße bei einer Tripping Speed von 30 Zügen Pro Stunde eine Tripgeschwindigkeit von 270 m/h. Ein Double besitzt bei derselben Trippig Speed schon eine Tripgeschwindigkeit von 540 m/h und ein Triple erreicht gar 810 m/h. Zum Vergleich die Leistung einer modernen Anlage: Streicher gibt die Leistung seiner VDD 370 mit Single-Mast mit einer Tripgeschwindigkeit bis 400 m/h an. Dies mag einem relativ langsam vorkommen, kann eine Mannschaft von gut trainierten Roughnecks einen Zug in einem Triple doch in knapp 2 Minuten ausbauen, es ist jedoch zu berücksichtigen, das moderne hochmechanisierte Anlagen mit erheblich weniger Personal auskommen.
Bohren mini|300px|Seiten- und Vorderansicht eines Rollenmeißels für einen Bohrdurchmesser von 17,5 Zoll (= 445 mm) Während anfänglich nur so genannte Fischschwanzmeißel eingesetzt wurden, die eine sehr hohe Torsionsbeanspruchung des Bohrgestänges (dem verschraubten Rohrstrang) verursachten, werden heute Rollen- oder Kronenmeißel verwendet. Rollenmeißel besitzen üblicherweise drei gegeneinander winkelig angeordnete, gezähnte Kegelrollen. Wenn der Bohrmeißel in Drehung versetzt wird, rollen die Kegelrollen auf der Bohrlochsohle ab und zerkleinern dabei das zu durchbohrende Gestein. Für hartes Gestein gibt es Rollenmeißel, deren Zähne mit Hartmetallstiften besetzt sind. Ebenso finden besonders bei hartem Gestein PDC-Meißel (ohne bewegliche Teile) mit einem Besatz aus künstlichen Diamanten, Schneidkeramiken oder Hartmetall Verwendung.
mini|300px|Mittelgroße Tiefbohranlage bei einer Erweiterungsbohrung in einem etwa 2000 m tief liegenden Ölvorkommen. Der Antrieb des Bohrers erfolgt über einen Top Drive am Flaschenzug des Bohrturms. Um den Bohrturm finden sich Anlagen hauptsächlich zur Einbringung und Aufbereitung der Spülflüssigkeit.