Wissenschaftliches Bohren ist eine wichtige Methode der Geowissenschaften. Sie dient dazu, Daten und Proben aus dem geologischen Untergrund zu gewinnen, um wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen.

Wissenschaftliche Bohrungen sind notwendig, um Prozesse wie die Entstehung von Erdbeben oder die nachhaltige Nutzung von Ressourcen unter natürlichen Verhältnissen zu beobachten und zu vermessen. Bohrungen dienen auch zur Gewinnung von Gesteinsproben, an denen sich frühere Umwelt- und Klimaverhältnisse rekonstruieren lassen.

Die bisher tiefste Bohrung reicht 12.266 m in die Tiefe und wurde auf der Kola-Halbinsel nahe Zapolyarni im Nordwesten Russlands vorgenommen. Sie wurde von 1970 bis 1989 als wissenschaftliche Bohrung abgeteuft (Teufe = Tiefe in Bergmannsprache), um den Aufbau des Erdinnern und zum Beispiel Erzvorkommen bis in große Tiefen zu erforschen. Heute gibt es zwar einige „längere“ Bohrungen zur Förderung von Erdgas unter dem Meer von Land aus, aber diese kommerziellen Bohrungen sind in 1000 oder 2000 m Tiefe waagrecht abgelenkt, und damit liegt ihre tatsächliche vertikale Tiefe nur bei etwa 2000 bis 3000 m.

Durch 150 Jahre Erfahrung in der Bohrtechnik sind Bohrungen an Land heutzutage sehr sicher. In Deutschland und Europa genehmigen und überwachen Bergämter tiefe Bohrungen sehr detailliert, sodass Umweltgefährdungen weitestgehend ausgeschlossen werden können. Forschungsbohrungen werden außerdem nur dort unternommen, wo durch sehr umfangreiche Voruntersuchungen Risiken wie unter Druck stehendes Gas ausgeschlossen sind.

Grundsätzlich soll ein sogenannter Fluidaustausch verhindert werden. Darunter versteht man eine mögliche Vermischung von Salz- und Grundwasser oder einen unkontrollierten Aufstieg und Austritt von Erdgas oder Erdöl. Um das zu verhindern, werden abschnittsweise Kunststoff- oder Metallrohre in die Bohrlochwandung einzementiert und am Kopf der Bohrung ein System von Abdichthähnen angebracht und die Bohrung damit abgedichtet. Die in der Bohrung zirkulierende Spülung wird auf Anzeichen von Druckanstieg oder Gasaufstieg überwacht. Falls nötig, wird die Dichte der Bohrspülung mit Beschwerungsmitteln so eingestellt, dass eine unkontrollierte Freisetzung verhindert wird. Bohrungen müssen nach der Nutzung von unten nach oben mit Zement so verschlossen werden, dass eine Abdichtung dauerhaft gewährleistet ist.

Auch bei der Nutzung von Bohrungen müssen Risiken minimiert werden. Bei der Erdöl- oder Heißwasserförderung oder auch beim Einpressen von Wasser oder Gas ändern sich die unterirdischen Druckverhältnisse in den Rissen und im Porenraum des umgebenden Gesteins. Das kann zur Rissaufweitung oder sogar zum Bruch im Gestein führen, was sich als Mikroseismizität oder Erdbeben zeigt. Glücklicherweise kann man heute mit besonders sensitiven Seismometern bereits kleinste Vorläufer, Mikrobeben genannt, detektieren und die Injektion drosseln oder stoppen, bevor sich größere Beben ereignen. Langsamer Druckausgleich führt dann zum Abbau der Spannungen ohne an der Oberfläche spürbare Beben. 

Solche „Adaptive Stimulation“ genannten Testverfahren werden zum Beispiel in Forschungsbohrungen durchgeführt, um die Schaffung künstlicher Wärmetauscher zur geothermischen Nutzung zu erforschen. Gesteine in größerer Tiefe sind heißer (die Temperatur steigt um 30° pro Kilometer Tiefe), aber auch dichter. Man kann also nicht einfach Kaltwasser in einer Bohrung injizieren und in einer benachbarten Bohrung Heißwasser fördern, ohne eine künstliche, hohe Durchlässigkeit erzeugt zu haben. Dazu führt das GFZ zum Beispiel in seinem KTB Tiefenlabor das Experiment GEOREAL durch. In Geothermie-Projekten spricht man von hydraulischer Stimulation. Hierbei wird Wasser – manchmal mit Zusätzen (z. T. Sand, z. T. chemische Verdickungsmittel) – mit hohem Druck in Bohrlöcher gepresst, um im Untergrund Klüfte für besseren Durchfluss und Wärmeaustausch zu schaffen. Zumeist wird in der Geothermie auf künstliche Zusätze bei der Injektion verzichtet.

Zur Erkundung und Nutzung von geothermischer Energie wird seit einigen Jahren verstärkt im Süden Deutschlands, zum Beispiel im Münchener Raum und im Oberrheintalgraben, gebohrt. Dort ist das Potential, hohe Temperaturen von über 100 °C bereits in 3000 bis 5000 m Tiefe zu treffen, hoch. Die Gesteine weisen eine gute Durchlässigkeit auf, d.h., diese Reservoire dienen als gute, natürliche Wärmetauscher. Auch im Norden und Osten Deutschlands sind durchlässige Gesteine oftmals zwischen 1000 und 2000 m Tiefe vorhanden, aus denen sich 40 bis 70 °C warmes Wasser fördern lässt, um zum Beispiel moderne Niedrigtemperatur-Heizungsanlagen zu versorgen. Ganz in der Nähe des GFZ hat die Firma EWP in Potsdam im Winter 2022/2023 eine über 2000 m tiefe Bohrung an der Heinrich-Mann-Allee in Potsdam zur geothermischen Nutzung niedergebracht.

Vorhandene Bohrungen werden auch langfristig zu Experimenten benötigt. Das GFZ nutzt die 4 und 9,1 km tiefen Bohrungen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms Deutschlands als Tiefenlabor, um die Möglichkeit zu testen, künstliche Wärmetauscher durch Wassereinspeisung in 4 km Tiefe zu erstellen. Ähnliche Projekte gibt es auch im Norddeutschen Becken in Brandenburg bei GrossSchönebeck, wo Erdwärmenutzung erforscht wird.