Pure Bore – Ein innovatives Bohrspülungssystem

WEM/UK, 08.09.2016 – Clear Solutions International Ltd. ist Spezialist für Bohrspülungen in den Bereichen Erdöl-, Erdgas sowie HDD, Mikrotunnelling, Wasserbau und Mining. Nach intensiver Entwicklungsarbeit ist es dem Unternehmen gelungen, das neuartige Bohrspülungssystem Pure Bore zu entwickeln – eine effiziente, umweltfreundliche Technologie mit weiteren Vorteilen.

Von Oliver Kuchar, Clear Solutions Int. Ltd. UK

Vergleich des Rheologischen Profils von Pure Bore und PHPA
Vergleich des Rheologischen Profils des Pure Bore-Verfahrens mit PHPA

Eine Bohrspülung muss folgende, technische Kriterien erfüllen:
-    das Bohrloch stabilisieren
-    Bohrgut aus dem Bohrloch austragen
-    Bohrgut in Schwebe halten
-    kühlen
-    schmieren
-    hydraulische Energie übertragen
-    dem Produktrohr zum Einzug ein Auftriebsmedium bieten
-    Poren- und Formationsdrücke neutralisieren
-    Informationen über die Geologie liefern
-    ein dielektrisches Medium für Bohrlochmessungen liefern
-    Zusätzlich sollte sie umweltfreundlich und recycelbar sein.

Der aktuelle Stand der im HDD, Brunnen- und Mikrotunnelbau verwendeten Bohrspülungstechnologie beruht immer noch auf den sogenannten nicht-dispergierten Suspensionen, wobei das Hauptaugenmerk darauf gerichtet ist, erbohrte Feststoffe möglichst sofort aus dem Fluidsystem zu entfernen, bevor diese durch Scherkrafteinwirkung in eine kolloidale Korngröße zerfallen und im System dispergieren. Die Folgen im HDD sind besonders unangenehm: Hohe plastische Viskositäten, die durch die hohe Reibung der Feststoffe in der Bohrspülung entstehen, führen immer zu erhöhten Bohrlochdrücken, einer schlechten Bohrlochreinigung und im schlimmsten Fall zu Schäden im Bohrpfad, den gefürchteten hydraulischen Hebern und Ausbläsern.

Gute Feststoffkontrolle wichtig

Um ein Dispergieren der Feststoffe in die Bohrspülung zu vermeiden, ist eine gut funktionierende Feststoffkontrolle unerlässlich. Bei Einsatz eines Recyclers sollte dieser möglichst viel an erbohrten Feststoffen, schon im ersten Durchlauf aus der Spülung entfernen. Technisch bedingt liegt die Effizienz der Feststoffkontrollsysteme oft nur bei max. 75%.
In vielen Fällen, insbesondere beim Erbohren von Tonen oder quellfähigen Formationen, reicht dies nicht aus und es muss zusätzlich dafür gesorgt werden, dass ein Quellen der erbohrten Formation verhindert oder wenigstens reduziert wird. Dieses wird durch geeignete Inhibitoren erreicht. Uralttechniken wie z.B. Gips (chemisch: CaSO4 x 2H2O) als Inhibitor, der durch seine Kalziumladung das Interkristalline Quellen des erbohrten Tones reduzieren soll, wurde weitestgehend durch andere Produkte ersetzt. Acrylamidpolymere (PHPA) oder auch Amphotere Aminosäuren sind im HDD und MT aktuelle Standardprodukte und bieten bessere Ergebnisse.

Vorgang der Scherkraftverdünnung
Der Vorgang der Bohrspülung mit Pure Bore auf einer Baustelle.

Bohrlochdrücke minimieren, Filterkuchen aufbauen

Neben dem geschilderten Sachverhalt sollte eine Bohrspülung idealerweise eine stark scherverdünnende Rheologie aufweisen, um unter allen Fließregimen im Bohrloch eine hohe Tragfähigkeit bei möglichst niedriger Viskosität zu gewährleisten. Nur so kann sichergestellt werden, dass die resultierenden Bohrlochdrücke minimiert werden. Des Weiteren muss die Bohrspülung auch noch einen Filterkuchen aufbauen und im Filtrat kontrolliert werden, um eine Neutralisierung zwischen hydrostatischem- und Porendruck zu vermeiden. Bohrlochinstabilitäten und „Nachfall“ der zu erbohrenden Formation kann die schwerwiegende Folge sein.

Bentonit als Additiv

In nicht seltenen Fällen werden zwei oder mehr Additive zum HDD-modifizierten Bentonit dazugegeben, um diesen Anforderungen Genüge zu tun. Das ist technisch durchaus richtig, aber neben dem positiven Aspekt stellt sich oft eine unerwünschte Nebenwirkung ein, da viele der dazu notwendigen Polymere entweder stark lineare Fließkurven  aufweisen, lange und hochmolekulare Polymerketten besitzen oder die elektrochemische Ladung verändern. Durchaus negative Sekundärwirkungen können die Folge sein:

-    Erhöhung der Viskosität und dadurch erhöhte Bohrlochdrücke
-    Neigung zur Schaumbildung in der Spülung
-    reduzierte oder keine Recyclingfähigkeit
-    Komplikationen im Entsorgungsweg
-    biologisch schlecht abbaubar, chemisch inertes Verhalten.

Vergleich eines Imersions-tests nur mit Wasser und Wasser mit Pure Bore
Immersionstests mit Materialproben aus einer Bohrung: Links erfolgt die Zugabe von reinem Wasser, rechts wird ein Gemisch aus Wasser und Pure Bore zugegeben.

Entwicklung von Pure Bore

Es ist mit hoher Wahrscheinlichkeit anzunehmen, dass zukünftig wesentlich höhere Anforderungen an die eingesetzten Bohrspülungsprodukte gestellt werden, um den Umweltschutz zu erfüllen oder zu verbessern.
Clear Solutions Int. hat sich bereits vor einigen Jahren dieser Problematik gestellt, Entwicklungsarbeit betrieben und mit Pure Bore ein Polymerprodukt entwickelt, dass genau diesen Ansprüchen gerecht wird. Pure Bore ist ein natürliches Polymer, basierend auf einem Polysacharrid, das alle technischen Leistungen für eine wasserbasische Bohrspülung auf einmal erfüllen kann:

-    stark scherverdünnend
-    Filterkuchenbildner durch Nanopartikel, auch ohne Bentonit o.ä.
-    filtrationsreduzierend
-    inhibierend durch einkapselnde Wirkung
-    kontaminationsunempfindlich
-    recyclingfähig
-    umweltfreundlich
-    biologisch abbaubar.

Pure Bore ist einsetzbar als Einzelprodukt oder auch als Zusatz in einer bestehenden Bentonitsuspension, um die Eigenschaften dieser positiv zu beeinflussen.

Tragfähigkeit

Pure Bore besitzt rheologische Eigenschaften, die sich zum Einsatz beim HDD oder im Mikrotunneling hervorragend eignen: Seine stark scherverdünnende Viskosität bietet sehr gute Tragfähigkeit, bei hohen wie niedrigen Fließgeschwindigkeiten, auch in Ruhe. (siehe Abb. „Rheologisches Profil“).
Beim Einsatz von Pure Bore, verglichen mit anderen, rheologisch nahezu linearen Produkten wie PHPA oder PAC z.B., entsteht im Bohrloch nur ein verhältnismäßig geringer Druck, das Havarierisiko wird minimiert. Mit zunehmender Scherkrafteinwirkung reduziert sich die Viskosität.
Selbst bereits bestehende Bentonitsuspensionen lassen sich behandeln, um die Tragfähigkeit zu erhöhen, ohne eine stark progressive Vergelung zu erreichen, die ein Anpumpen der Suspension, nach einer längeren Ruhepause z.B., unmöglich machen würde (siehe Abb. „Scherkrafteinwirkung“).

Filtrationskontrolle

Neben der Erhöhung der Tragfähigkeit, reduziert Pure Bore auch das Filtrationsvolumen. Nanopartikel, die sich in der Spülung befinden, verschließen zuverlässig Minimalporen und dichten Makrofrakturen ab. Ein Abfiltern von Wasser aus der Spülung wird so minimiert und einer Erhöhung des Porendrucks  entgegengewirkt. Ein weiteres Filtrationskontrolladditiv wird beim Einsatz von Pure Bore nicht mehr benötigt.
Ein weiterer, positiver Aspekt ist, dass Pure Bore als Schutzkolloid wirkt und die Bentonitsuspension in einem Salzwasserhabitat z.B. zuverlässig vor dem Ausflocken geschützt wird.

Filterkuchenbildung durch Pure Bore
Schematische Darstellung der Filterkuchenbildung durch Zugabe von Pure Bore.

Inhibierung

Die oft größte Hürde in der Bohrspülungstechnologie stellt eine adäquate Inhibierung der erbohrten Tone dar. Synthetische PHPAs stellen derzeit zu 90% das Mittel der Wahl dar. Um ein Quellen der erbohrten Tone zu verhindern, funktionieren sie im Einsatz recht gut, bieten aber keinerlei Vorteile, die sie als Sekundärfunktion mitbringen. Eine sehr lineare, rheologische Kennlinie bietet keinerlei Tragfähigkeit und die Bohrlochdrücke steigen proportional mit zunehmender Pumprate an, insbesondere bei hohen Feststoffkonzentrationen.
PHPAs genießen leider einen sehr schlechten Ruf hinsichtlich der Recyclingfähigkeit und besitzen auch noch eine hohe biologische Halbwertszeit, da PHPA nur schwer und aerob biologisch abgebaut werden kann.

Vollständig recyclebar

Auch hier kann Pure Bore helfen und als Inhibitor wirken: Es erhöht die Wasserabgabezeit (Waz) um ein Vielfaches (> 30 min ergo ?), kapselt die erbohrten Tone ein und hindert diese so am Quellen. Der große Vorteil hier ist, dass Pure Bore keine langen, hochmolekularen Polymerketten enthält. Die Spülung ist in vollem Umfang recyclingfähig und lässt sich problemlos mit allen gängigen Recyclingverfahren behandeln, auch Siebung.
Umfangreiche, auch unabhängige Tests, haben die inhibierende Funktion von Pure Bore bestätigt (siehe Abb. „Immersionstest“).

Polysacharride als Basis

Polysacharride sind Mehrfachzucker, die in Pflanzen wie z.B. der Kartoffel entstehen. Diese werden in komplizierten Verfahren umpolymerisiert und technisch brauchbar gemacht. Da Pure Bore auf Polysacharrid basiert, ist es biologisch leicht abbaubar und problemlos zu entsorgen.
Viele Additive und Produkte werden derzeit von den Behörden kritisch unter die Lupe genommen und immer öfter durch Zulassungsverfahren für einzelne Projekte genehmigt. Mit Pure Bore wurde ein großer Schritt nach vorn gemacht um technische Komplexität und Umweltschutzanforderungen besser in Einklang zu bringen.
bi

Einen ausführlichen Bericht lesen Sie in unserer aktuellen Ausgabe (4/16) der bi-UmweltBau.