Bohrspülungen für HDD- und Geothermiebohrungen

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1 Bohrspülungen für HDD- und Geothermiebohrungen von Lasse Elbe, Hans-Joachim Bayer 1. Auflage Bohrspülungen für HDD- und Geothermiebohrungen Elbe / Bayer schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Geotechnik Vulkan 2010 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 Titel.fm Seite 3 Dienstag, 26. Januar :22 12 Schriftenreihe aus dem Institut für Rohrleitungsbau Oldenburg Band 26 Lasse Elbe, Hans-Joachim Bayer BOHRSPÜLUNGEN FÜR HDD- UND GEOTHERMIEBOHRUNGEN Herausgeber: Dr. Dipl.-Geologe Hans-Joachim Bayer, und Prof. Dipl.-Ing. Thomas Wegener VULKAN-VERLAG Essen

3 Bohrer.book Seite 9 Dienstag, 26. Januar :47 09 Vorwort... 5 Vorwort zur 2. Auflage Einführung Bohrspülungen im Horizontal Directional Drilling Von der Tiefbohrtechnik zum Horizontal Directional Drilling (HDD) Chronik Bohrspülungen in oberflächennahen Geothermiebohrungen Bohrspülungen im HDD-Brunnenbau und für Dränagen Aufgaben der Bohrspülung im HDD Abtrag der Formation und Bohrlochreinigung Abtrag Bohrlochreinigung Bohrlochstabilisierung Antrieb und Steuerung des Bohrwerkzeugs Schmierung und Kühlung Schutz vor Korrosion Rohr- und Kabeleinbettung Einbettung und Ankopplung der Erdwärmesonden im Erdreich Zulauf und Filterfunktion bei Brunnen und Dränagen Abhängigkeit der Spülung von der Geologie und Hydrogeologie Materialparameter des Bodens Baugrunderkundung Betrachtung bereits vorhandener Pläne Bodenaufschlussbohrungen Bodensondierung Geophysikalische Untersuchungen Grundwasserverhältnisse Klassifizierung der Böden Nach DIN Nach DIN Nach DIN Nach DIN Bindiger Grund Nichtbindiger Grund Fels und Gestein

4 Bohrer.book Seite 10 Dienstag, 26. Januar : Tonminerale als Bohrspülungen Ton als Naturrohstoff Was sind Tonminerale? Schichtstrukturen der Tonmineralien Tetraederschicht Oktaederschicht Verknüpfung der Oktaeder- und der Tetraederschicht Strukturtypen der Tonminerale Zwischenschichtminerale Dreischichtminerale Vierschichtminerale Wechsellagerungen Bandsilikate Quellvermögen von Schichtentonen Innerkristalline Quellung Osmotische Quellung Schichtentone im HDD Montmorillonit Kaolinit Illit Bandsilikate im HDD Bentonit als Grundstoff für die meisten Bohrspülungen Was ist Bentonit? Die Entstehung von Bentoniten Bentonite unterschiedlicher Natur und Herkunft Wyoming-Bentonit Bentonite aus dem mitteleuropäischen Raum Bentonite aus dem osteuropäischen Raum Bentonite aus dem mexikanischen Raum Bentonite aus dem ägäisch-kleinasiatischen Raum Zusammensetzung handelsüblicher Bentonite Bentonit für Bohrspülungen Saure Aktivierung Alkalische Aktivierung Organophile Bentonite Andere Tonminerale als Bohrsuspensionen Spülton und Formationston Tonmehl Attapulgit und Palygorskit Sepiolith (Meerschaum)

5 Bohrer.book Seite 11 Dienstag, 26. Januar : Rheologie von Bohrspülungen Einführung in die Rheologie Grundbegriffe der Rheologie Schubspannung (τ) Scherrate bzw. Schergefälle (γ bzw. D) Scherviskosität (η) Newtonsche Flüssigkeiten Nichtnewtonsche Flüssigkeiten Scherverdünnendes Fließverhalten (strukturviskos, pseudoplastisch) Scherverdickendes Fließverhalten (dilatant) Plastisches Fließverhalten / Fließgrenze Thixotropie Scherverhalten von Ton- und Polymersuspensionen Süßtone Einfluss von Salzen Salzfeste Strukturbildner: Salztone Flüssigkeitsstrukturbildner: Polymere Rheologische Modelle Rheologische Charakterisierung von Bohrspülungen Fließkurve Fließparameter Gelstärke und Thixotropie Recycling tonhaltiger Suspensionen Feststoffe Methoden der Feststoffkontrolle Absetzbecken Mechanische Feststoffkontrollgeräte Schüttelsiebe Siebbewegung Siebe Siebauswahl Empfehlungen für den Betrieb von Schüttelsieben Sandfallen Desander / Desilter Zentrifugen Zusammenfassung Polymere Polymere als Schutzkolloide und Filtratsenker Biopolymere und Native Polymere Xanthan gum (XC-Polymer) Guar gum / Welan gum

6 Bohrer.book Seite 12 Dienstag, 26. Januar : Stärke Halbsynthetische Polymere (modifizierte Polymere) CMC (Carboxy-Methyl-Cellulose) PAC Polyanionische Cellulose HEC (Hydroxylethylcellulose) CMHEC Carboxymethylhydroethylcellulose Synthetische Polymere Polyacrylat Polyacrylnitril (PAN) PAA (Polyacrylamid) PHPA (Partially Hydrolyzed Polyacrylamide) Polydrill Additive zu Bohrspülungen Was sind Additive? Anmachwasser ph-wert-regulierer Strukturbildner Filtratsenker und Schutzkolloide Suspensionsverbesserer Toninhibierende Additive Reibungsreduzierer / Schmiermittel Benetzungsmittel Stopfmittel (LCM Lost Circulation Material) Beschwerungsmittel / Inerte Feststoffe Verflüssiger Wirkungsweise von Bohrspülungen Konventionelle Bohrspülungen Moderne HDD-Spülungen Spülungszusätze Selbsterhärtende Bohrspülungen Was sind selbsterhärtende Bohrspülungen Baustofftechnische Eigenschaften selbsterhärtender Bohrspülungen Anwendung von selbsterhärtenden Bohrspülungen Versuche im Vorfeld der HDD-Bohrung Vorgehensweise während der HDD-Bohrung Leistungs- und Kostenkontrolle während des Bohrens Baustellenkosten Überblick Möglichkeiten der Produktivitätserhöhung Hilfsmittel und Berechnungstools

7 Bohrer.book Seite 13 Dienstag, 26. Januar : Einfache Hilfsmittel Einfache Hilfsmittel zur Ermittlung des Sollwerts der Maschinenaufbauparameter Einfache Hilfsmittel zur Festlegung der Istwerte für die Ermittlung der Bohrflüssigkeitsmenge Vereinfachte Berechnungstools Sollwerte der Haupt-Baustellenbedingungen Sollwerte des Bohrvorgangs Ausführliche Berechnungstools Abstimmung der Bohrlochhydraulik in Bezug auf die Bodenmechanik und die Bohrflüssigkeit bei min. bzw. max. Drücken Abstimmung der drei Bohrflüssigkeitsfördermengen Bohrflüssigkeitspumpe, Bohrkopfdüsen, Ringraum im Bohrkanal Bohrwerkzeug- und Bohrstrangeigenschaften Mischund Förderzeiten, Druckverluste Qualitative Beurteilung Nutzung von Erfahrungswerten HDD-Bohrloch-Hydraulik Bohrhydraulik bei der Baustellenplanung Geologie Bohrspülung Bohrwerkzeuge Bohrprofil Aufweitvorgänge Rohreinzug Vermeidung und Behandlung von Ausbläsern beim Bohren Stabilisierung und Abdichtung der Bohrlochwand Stabilisierung rolliger Sedimente Vertikalbohrungen Horizontalbohrbohrungen Stabilisierung bindiger Sedimente Bohrlochreinigung Bohrlochneigung Strömungsgeschwindigkeit im Ringraum Reynolds-Zahl Strömungsgeschwindigkeit Korngröße Spülungsdichte Austragsvermögen der Bohrspülung Einfluss der Gestängerotation auf die Bohrlochreinigung Eigenschaften der Flüssigkeit Fehleranalyse der Bohrhydraulik auf der Baustelle

8 Bohrer.book Seite 14 Dienstag, 26. Januar : Beurteilung der Spülung während des Bohrbetriebes Bestimmung der Fließeigenschaften Marsh-Trichter Rotationsviskosimeter Kugelharfe Shearometer Bestimmung der Dichte oder des spezifischen Gewichtes Spülungswaage Bestimmung des Sandgehalts Sandgehaltsmessgerät (Sand Content Kit) Bestimmung der Wasserabgabe bzw. des Filtrationsverhaltens Filterpresse (API American Petroleum Institute) Ringtrichter Spülungsprotokolle Verwertung und Entsorgung von Bohrspülung im HDD Sicherheitsdatenblatt Entsorgung von verwendeten Bohrspülungen Erläuterungen zu den Gesetzen und Vorschriften zum Schutz der Umwelt Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Abwasserverordnung (AbwV) Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) Klärschlammverordnung (AbfKlärV) Bioabfallverordnung Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) Mitteilungen der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) Grundwasserverordnung (GrWV) Gesetze und Vorschriften für Geothermiebohrungen Empfehlungen für den Umgang mit Bohrspülungen für Geothermiebohrungen Verkehrsicherungspflicht Auftretende Probleme und deren Lösungen Spülungsabhängige Probleme beim Einbetten von Erdwärmesonden in Bohrlöchern Literaturverzeichnis Glossar Inserentenverzeichnis