Was ist der Unterschied zwischen Spülbohrung und Hammerbohrung?

Bei der Spülbohrung (Rotary-Verfahren) dreht sich ein Bohrmeißel und löst das Gestein durch Schneid- und Scherwirkung. Eine Bohrspülung transportiert das Bohrklein zur Oberfläche. Dieses Verfahren eignet sich gut für Lockergestein und weiche bis mittelharte Sedimentgesteine. Die Hammerbohrung (DTH — Down-the-Hole-Hammer) arbeitet mit einem pneumatischen Schlagmechanismus direkt am Bohrmeißel und ist in hartem Kristallingestein (Granit, Gneis) deutlich schneller. In der Praxis sind viele Bohrfirmen mit beiden Verfahren ausgerüstet und wählen je nach Geologie.

Welche Spülmittel sind bei Erdwärmebohrungen erlaubt?

Grundsätzlich sind nur wasserbasierte Spülmittel erlaubt — Ölbasierte Spülungen sind bei Erdwärmebohrungen in Deutschland verboten. Zugelassen sind: klares Wasser (in stabilen Gesteinen), Bentonit-Suspension (natürlicher Ton, quellfähig, abdichtend), Naturton-Suspension, sowie bestimmte Polymer-Zusätze (Polyacrylamid-basiert, die vom Hersteller für die Grundwasserverträglichkeit zertifiziert sein müssen). Das verwendete Spülmittel muss im Bohrprotokoll dokumentiert werden.

Wie tief kann man mit der Spülbohrung bohren?

Mit moderner Bohrausrüstung sind Tiefen bis 300 m problemlos erreichbar, mit entsprechend starken Anlagen auch bis 400–500 m. Für typische Erdwärmesonden-Tiefen von 80–200 m ist die Spülbohrung absolut ausreichend. Die praktische Begrenzung liegt weniger an der Technik als an der Wirtschaftlichkeit — ab ca. 250 m steigen die Kosten durch Rohrtour, Verlängerungsgestänge und Spülungsmanagement erheblich.

Was passiert mit dem Bohrklein?

Das mit der Bohrspülung an die Oberfläche geförderte Bohrklein (Feststoffanteil aus Gesteinspartikeln) sammelt sich in einem Absetzbecken oder Spülbehälter. Dort sinkt das Feststoffmaterial ab, die geklärte Spülung wird zurück ins Bohrloch gepumpt. Das abgesetzte Bohrklein muss fachgerecht entsorgt werden — bei kontaminationsfreien Böden oft als Bodenaushub, bei Verdacht auf Belastungen als Sonderabfall.

Spülbohrung — Verfahren, Spülmittel und Einsatzgebiete | Wissen für Bohrfirmen

Was ist die Spülbohrung?

Die Spülbohrung — auch Rotary-Bohrverfahren oder Direktspülbohrung genannt — ist das in Deutschland am häufigsten eingesetzte Verfahren für die Erstellung von Erdwärmebohrungen. Sie kombiniert mechanisches Bohren (Drehbewegung des Bohrmeißels) mit einem hydraulischen Abtransportsystem (Bohrspülung), das das gelöste Gestein kontinuierlich aus dem Bohrloch fördert.

Das Verfahren ist vielseitig, in weiten Teilen Deutschlands einsetzbar und erlaubt gleichzeitiges Bohren, Kühlen des Meißels und Ausspülen des Bohrkleins — alles in einem geschlossenen Spülungskreislauf.

Funktionsprinzip

Das Grundprinzip der Spülbohrung:

Der Bohrmeißel (Dreirollenmeißel, PDC-Meißel oder Hartmetallmeißel) dreht sich am unteren Ende des Bohrgestänges und löst das Gestein durch Drehen und Drücken.
Die Bohrspülung wird durch das hohle Bohrgestänge von oben nach unten gepumpt. Sie tritt am Bohrmeißel aus und strömt dann im Ringraum (zwischen Gestänge und Bohrlochwand) wieder nach oben.
Dabei nimmt die Spülung das Bohrklein (Gesteinspartikel) mit und transportiert es an die Oberfläche.
An der Oberfläche tritt die Spülung in einen Absetzbehälter (Schlammbecken) ein. Das Bohrklein sinkt ab, die geklärte Spülung wird in den Spülbehälter zurückgeleitet und erneut ins Bohrloch gepumpt.

Dieser geschlossene Kreislauf läuft während der gesamten Bohrung kontinuierlich.

Bohranlage und Ausrüstung

Eine vollständige Spülbohranlage besteht aus:

Bohrlafette (Bohrturm / Mast): Das Kerngerät — trägt den Drehtisch oder den Tophead-Antrieb, gibt die Vorschubkraft und überträgt das Drehmoment auf das Bohrgestänge.

Tophead-Antrieb vs. Drehtischantrieb: Moderne Bohranlagen für Erdwärmebohrungen arbeiten fast ausschließlich mit Tophead-Antrieb (der Motor sitzt oben und dreht direkt das Gestänge — einfacher, flexibler, weniger Verschleiß als klassischer Drehtisch).

Bohrgestänge: Hohlgestänge aus Stahl, typischerweise in 3- oder 6-m-Schüssen. Verbunden durch Stiftgewinde (API-Gewinde). Mit zunehmender Tiefe werden Gestängerohr für Rohr zugeschraubt.

Bohrmeißel:

Dreirollenmeißel (Tricone): Für weiche bis mittelharte Sedimentgesteine, gute Bohrleistung in Lockergestein und Kalkstein.
PDC-Meißel (Polycrystalline Diamond Compact): Sehr effektiv in Ton, Schiefer und weichem Sandstein; hohe Standzeiten.
Hartmetallmeißel (Imprägnier-Meißel): Für sehr hartes Gestein.

Spülungssystem:

Spülpumpe (Kolbenpumpe oder Kreiselpumpe, typisch 50–200 l/min)
Spülbehälter (mind. 2–3 m³ Volumen)
Absetzbecken / Beruhigungsbehälter
Schläuche und Verrohrung zum Bohrloch

Verrohrung: In instabilen Oberflächenzonen (Lockergestein, Füllung) wird eine Standrohrtour eingebaut, die das Bohrloch im kritischen Bereich (oft erste 5–10 m) offen hält und Spülungsverluste in den Oberflächenbereich verhindert.

Spülmittel — Eigenschaften, Zulassung und Auswahl

Die Wahl des richtigen Spülmittels ist sowohl technisch als auch rechtlich bedeutsam. Alle Spülmittel bei Erdwärmebohrungen müssen grundwasserverträglich sein.

Klares Wasser

Das einfachste Spülmittel — reines Wasser ohne Zusätze. Einsetzbar in stabilen Gesteinen, die keine Stützung der Bohrlochwand benötigen. Vorteil: keine Zulassungsanforderungen, kostengünstig, vollständig grundwasserverträglich. Nachteil: geringe Traglast für Feststoffe, keine stützende Wirkung an der Bohrlochwand, hohe Verlustmengen in klüftigem Gestein.

Bentonit-Suspension

Bentonit ist ein natürlicher Quellton (Montmorillonit), der sich beim Anmischen mit Wasser zu einer thixotropen Suspension aufschlämmert. Im ruhenden Zustand geliert die Suspension und stützt die Bohrlochwand — beim Pumpen fließt sie wieder flüssig.

Eigenschaften:

Ausgezeichnete Wandstützung in Lockergestein
Gute Bohrkleintransportkapazität
Vollständig grundwasserverträglich (natürlicher Mineralstoff)
Bildet Filterkuchen an der Bohrlochwand (Schutz vor Spülungsverlust in klüftiges Gestein)

Anmischverhältnis: Typisch 20–50 kg Bentonit pro 1.000 Liter Wasser, je nach Geologie.

Entsorgung: Bentonit-Schlamm aus der Bohrung kann in Deutschland in der Regel als nicht gefährlicher Abfall (Boden und Steine) entsorgt werden — Deklaration mit Entsorgungsnachweis.

Naturton

Ähnlich wie Bentonit, aber mit dem natürlich im Bohrloch angetroffenen Ton angereichert. Passiert im Wesentlichen von selbst in tonreichen Lockergesteinsprofilen — die Bohrspülung lädt sich selbst mit feinen Tonpartikeln auf. Für viele norddeutsche Bohrungen in quartären Sedimenten typisch.

Polymer-Zusätze

Organische Polymer-Verbindungen (meist auf Polyacrylamid-Basis oder Xanthan-Basis) werden der Bohrspülung zugesetzt, um die Viskosität und Fließeigenschaften zu verbessern.

Voraussetzung: Polymer-Zusätze müssen für die Verwendung bei Grundwasserbohrungen zugelassen und nachweislich biologisch abbaubar sein. Das Sicherheitsdatenblatt des Produkts muss vorliegen. Nicht alle Polymer-Produkte sind in Deutschland für Erdwärmebohrungen zugelassen — immer beim Hersteller und ggf. bei der Behörde rückfragen.

Vorteil: Deutlich bessere Bohrkleintransportleistung als klares Wasser, weniger Menge erforderlich als reine Bentonit-Suspension.

Verbotene Spülmittel

Ölbasierte Spülungen (in der Erdölbohrung üblich): In Deutschland bei Erdwärmebohrungen grundsätzlich verboten.
Nicht zugelassene Chemikalien oder Additive ohne Sicherheitsdatenblatt.
Betonmilch oder Zementlösungen als Spülmittel (Verwechslungsgefahr mit Verpressmörtel).

Geologische Eignung der Spülbohrung

Geologie	Eignung Spülbohrung	Empfehlungen
Lockersediment (Kies, Sand)	Sehr gut	Bentonit für Wandstützung
Schluff, Ton	Gut	Bentonit, Verrohrung oberflächennah
Mergel, Tonstein	Gut	Polymer-Zusatz für bessere Penetration
Kalkstein (nicht verkarstert)	Gut	Dreirollenmeißel, klares Wasser
Sandstein	Gut–sehr gut	PDC-Meißel effektiv
Karst (Kalkstein mit Hohlräumen)	Eingeschränkt	Spülungsverluste möglich, Hammerbohrung prüfen
Granit, Gneis (Kristallingestein)	Eingeschränkt	Hammerbohrung deutlich schneller
Basalt, Gabbro (magmatisch)	Eingeschränkt	Hammerbohrung oder Kombination

Spülbohrung vs. Hammerbohrung im direkten Vergleich

Kriterium	Spülbohrung	Hammerbohrung (DTH)
Bohrmedium	Bohrspülung (Wasser)	Druckluft
Bohrfortschritt im Fels	5–15 m/h	15–35 m/h
Bohrfortschritt in Lockergestein	10–30 m/h	Ungeeignet
Kosten pro Meter	Niedrig–mittel	Mittel–hoch
Lärm	Gering	Hoch (Kompressor + Schlag)
Staubanfall	Keiner	Erheblich (Filteranlage nötig)
Bohrlochdurchmesser	100–300 mm	100–200 mm
Wasserverbrauch	Hoch (500–2.000 l/h)	Gering
Eignung Wasserschutzgebiet	Gut (wasserbasierende Spülung)	Eingeschränkt (Luftaustrag)
Bohrteufe (typisch EWS)	Bis 300 m	Bis 500 m

Besondere Situationen und Herausforderungen

Spülungsverluste

Wenn die Bohrspülung in Klüfte, Hohlräume oder stark klüftiges Gestein (Karst) verloren geht, sinkt der Spülungspegel im Bohrloch. Das kann zur Destabilisierung der Bohrlochwand führen.

Maßnahmen bei Spülungsverlusten:

Spülung mit Verlustmittel abdichten (Zellulosefasern, Bentonit-Pillen)
Bohrverfahren wechseln (Lufthammer bei massivem Karst)
Behörde informieren (Spülungsverluste in Hohlräume können Grundwassereinträge bedeuten)

Artesische Verhältnisse

Wenn das Bohrloch auf ein unter Druck stehendes Grundwasserstockwerk trifft, kann Grundwasser unkontrolliert an die Oberfläche austreten (artesisch). Das erfordert sofortige Sicherheitsmaßnahmen (Bohrloch kontrollieren, Spülung erhöhen, ggf. Einpressen) und die unverzügliche Meldung an die Genehmigungsbehörde.

Instabile Bohrlochwände

In quellfähigen Tonen kann die Bohrlochwand durch Wasseraufnahme aufquellen und das Gestänge festklemmen. Gegenmaßnahmen: Kaliumchlorid-Zusatz zur Spülung (hemmt Quellung), schnelles Bohren und zügiger Sondeneinbau.

Dokumentation im Bohrprotokoll

Die Spülbohrung erfordert eine detaillierte Dokumentation im Bohrprotokoll:

Verwendetes Spülmittel (Produkt, Konzentration, Verbrauch)
Spülungsverluste (Tiefe, Menge, Maßnahmen)
Bohrfortschritt pro Stunde (m/h) nach Tiefenabschnitt
Bohrmeißeltyp und Wechselintervalle
Grundwassereintritte (Tiefe, Schüttung, Druckhöhe)
Auffälligkeiten (Hohlräume, Gasentwicklung, Farbwechsel)

Das Bohrprotokoll ist nicht nur Pflicht gegenüber der Behörde — es ist auch die wichtigste Grundlage für die Auslegungsberechnung, die Verpressung und das Qualitätsmanagement des Projekts.

Spülbohrung — Verfahren und Einsatzgebiete