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Horizontalfilterbrunnen

Einsatz einer Polymersuspension bei der Installation verlaufsgesteuerter Horizontalfilterbrunnen

Zu den jüngeren Fortschritten in der Horizontalbohrtechnik gehört die Installation von Horizontalfilterbrunnen im verlaufsgesteuerten Spülbohrverfahren (Horizontal Directional Drilling HDD). Die Einsatzfelder dieser Brunnen sind sehr vielfältig, z.B. zur Trinkwassergewinnung, zur Grundwasserregulierung, zur Sanierung kontaminierter Standorte als auch zur Gewinnung geothermischer Energie.

Ein Grundmerkmal der Horizontalbohrtechnologie ist die Verwendung einer Bohrsuspension als Schneidmedium und Fördermedium, Schmiermittel und Kühlmittel sowie elementar als Bohrlochstabilisator.

Die dafür geforderten rheologischen Eigenschaften werden in der konventionellen Verlegung von z.B. Transportleitungen mit der Verwendung von Bohrsuspensionen auf Bentonitbasis durch Ablagerung von Bohrklein und Bohrspülungszusätzen und Bildung eines undurchlässigen dünnen Filterkuchens an der Bohrlochwand wirkungsvoll erreicht.

Bei der Herstellung von Bohrbrunnen im Spülbohrverfahren dagegen ist die Verwendung von Bohrsuspensionen auf Polymerbasis unerlässlich, um eine Verstopfung des durchflußwirksamen Porenraums in der anstehenden Formation zu vermeiden. Der Einsatz einer hochviskosen Bentonitsuspension würde die Durchlässigkeit des Bohrkanals nachhaltig negativ beeinflussen und ist nur mit kostenintensivem technischem Aufwand reduzierbar.

Unbefriedigt mit den Leistungsmerkmalen der bis dato auf dem Markt befindlichen Bohrsuspensionen richtete die Firma Haustadt & Timmermann Bohrtechnik aus Duisburg eine Anfrage an die Phrikolat Drilling Specialties GmbH zur Entwicklung einer Polymersuspension, die hohen Leistungsanforderungen standhalten kann. Diese Spülung sollte in der Lage sein, Horizontalfilterbrunnen in einem geologisch sehr wechselhaften Baugrund und bei Bohrlängen größer 500 m sicher zu installieren. Darüber hinaus war eine Hauptforderung die biologische Abbaubarkeit der Bohrspülung.

Bei PHRIKOLAT konnte man auf eine im Bohrbrunnenbau bewährte Rezeptur für ein Spezialpolymer zurückgreifen, diese im PHRIKOLAT Labor entsprechend den Anforderungen modifizieren und dem Kunden ein zuverlässiges und im Gebrauch einfach zu handhabendes Produkt anbieten, welches schon nach ca. 20 - 30 Minuten Quellzeit gebrauchsfertig ist. Die aus verschiedenen Polymeren bestehende Mischung mit dem Produktnamen MODIFLOW 050 ist feststoffarm, biologisch abbaubar, recyclefähig und stabilisiert zuverlässig Sande und Kiese bei relativ niedriger Viskosität. MODIFLOW 050 baut Gelstärken und eine hohe Fließgrenze bei niedrigem Schergefälle auf. Dadurch wird ein ausgezeichnetes Austragsvermögen bei niedrigen Aufstiegsgeschwindigkeiten erzielt. MODIFLOW 050 verklebt lose Sandpartikel, verstopft aber nicht die wasserführenden Formationen. Selbst in Schichten mit grobem Schotter konnte mit MODIFLOW 050 bei einer Zugabe von nur 0,8 % MODIFLOW 050 das Bohrgut sicher ausgetragen und ein sauberes Bohrloch hergestellt werden. MODIFLOW 050 ist biologisch abbaubar, die natürliche Abbauzeit liegt bei ca. 80 % nach einer Woche. Trotzdem sollten Brunnen nach Beendigung der Bohrarbeiten gemäß ATV DIN 18.302 klargepumpt werden, um im Bohrloch verbliebenes Bohrklein auszuspülen und eine ungestörte Wasserproduktion zu gewährleisten. Im Idealfall werden diese unverkiesten natürlichen Brunnen aktiviert. Gute Ergebnisse wurden bei Horizontalfilterbrunnen mit dem Hochdruck Jet-Master-Verfahren und dem Sprengschocken erreicht. Durch den Austrag von Unterkorn aus dem Gebirge kann die Ergiebigkeit der Brunnen stark erhöht werden.

Projektbeispiele:
Bei den folgenden Projektbeispielen konnte MODIFLOW 050 erfolgreich eingesetzt werden und so seine Fähigkeiten unter Baustellenbedingungen demonstrieren.

Errichtung einer Hydraulischen Barriere zur Sicherung einer Altlast
Ziel der Maßnahme war der Schutz eines an ein Raffinerie-Altwerk angrenzenden Tagebaus vor Kontaminationen durch schadstoffbelastetes Grundwasser. Der Auftraggeber beabsichtigte als Gefahrenabwehrmaßnahme eine Schlitzwand in Verbindung mit einem Drainagesystem zu errichten.

Beauftragt wurde Haustadt & Timmermann aufgrund seines technologischen Lösungsansatzes und einschlägiger Erfahrungen mit der Herstellung von Horizontalfiterbrunnen im verlaufsgesteuerten Spülbohrverfahren.

Charakteristisch für die geologischen Verhältnisse am Standort ist ein Schichtenaufbau mit erheblichen strukturellen Veränderungen, Lagerungsstörungen und einer hohen Schwankungsbreite bei der Korngröße und -zusammensetzung. Im Rahmen der Voruntersuchungen für die Sicherungsmaßnahme wurden Schichten aus Auffüllungen, Ton, Mergel, Braunkohle und Terassenschotter erkundet. Die hydrogeologische Situation ist analog den geologischen Verhältnissen kompliziert. Generell verläuft der Grundwasserstrom in Richtung Tagebaurestloch.

Im Ergebnis der Planung wurde eine Drainage parallel zu der Schlitzwand angeordnet, um raffinerieseitig das aufstauende Wasser zu fassen und ableiten zu können. Die Drainage wurde unterhalb des zukünftigen Wasserhaltungsniveaus mit überdeckungshöhen bis 12 m angeordnet. Die Länge der Drainage beträgt ohne die Vollrohrstrecken 655 m. Die Drainage wurde in zwei Bohrabschnitten von 395 und 505 m Länge unter Beibehaltung der natürlichen Lagerungsverhältnisse verlegt. Die Bohransatz- und Austrittspunkte waren jeweils außerhalb des kontaminierten Bereiches. Dadurch konnten die erforderlichen Arbeitsschutzmaßnahmen reduziert werden. Als Ausbaumaterial kamen Edelstahl-Wickeldrahtfilter DN 200 aus V4A mit auf die Formation abgestimmten Spaltweiten von 0,1 bis 1,0 mm zum Einsatz.

Nach der gelungen Generalprobe und dem wirkungsvollen Nachweis der Einsatzfähigkeit wurde kurz darauf ein weiteres Projekt mit MODIFLOW 050 erfolgreich durchgeführt.

Herstellung einer Tagebauvorfeld-Entwässerungsbohrung
Zu einer der Braunkohlengewinnung vorlaufenden Entwässerung wurde in einem Tagebau in Mitteldeutschland eine horizontale Entwässerungsbohrung durchgeführt.

Mit der herkömmlichen Entwässerungstechnologie über Randriegel mit Vertikalfilter-brunnen konnten die prognostizierten Ergebnisse in einem muldenartigen Teilbereich der Abbaufront nicht erreicht werden. Erosionserscheinungen an der Böschung und Betriebseinschränkungen im Tagebaubetrieb veranlaßten das Bergbauunternehmen eine 610 m lange HDD-Bohrung zur Installation eines Brunnenelementes DN 100 ausführen zu lassen.

Dieser Brunnen folgt dem Muldentiefsten und leitet das gelöste Grundwasser im freien Gefälle in die im Tagebau bestehende Wasserhaltung ab. Da die Muldenachse etwa senkrecht zur Tagebauentwicklung verläuft wird der Brunnen bei jedem Durchgang der Schaufelradbagger gekürzt. Als Filtermaterial kam deshalb schneidfähiges geschlitztes PEHD-Rohr mit einer Schlitzweite von 0,5 mm zum Einsatz. Dieser Filter kann dadurch ohne Einsatzbehinderung des Großgeräts beim Abbaggern geschnitten werden.

Fazit
Bei der Installation von Brunnen im Spülbohrverfahren muss die eingesetzte Bohrspülung generell in ihrer Zusammensetzung unter Beachtung des Baugrundes und der besonderen Anforderungen des Brunnenbaus ausgewählt werden.

Mit der Entwicklung von MODIFLOW 050 ist es der PHRIKOLAT Drilling Specialties GmbH gelungen ein Produkt auf den Markt zu bringen, mit dem auch verlaufsgesteuerte Horizontalfilterbrunnen sicher installiert und auch unter geologisch schwierigen Rahmenbedingungen wirkungsvoll betrieben werden können.

Spülungskontrolle

Spülungsmessung an der Baustelle

Marsh-Trichter

Die Messung der Trichterauslaufzeit (TAZ) mit dem Marsh-Trichter gibt Auskunft über die Viskosität der Spülung. Man spricht deshalb auch von Marsh-Trichter-Viskosität.
Die Trichterauslaufzeit liefert für bekannte Spülungsrezepturen Anhaltswerte für die Tragfähigkeit der Spülung beim Fließen und im Stillstand sowie deren Vergelungsverhalten.

Kurzanleitung:
1. Trichter in der Hand halten und dabei Öffnung mit dem Finger verschließen.
2. Trichter über das Sieb mit Spülung füllen bis Unterkante Sieb (=1,5 Liter). Nur frische oder recycelte Spülung verwenden.
3. Spülung aus dem Trichter in den Becher auslaufen lassen und gleichzeitig Stoppuhr starten.
4. Zeit messen, bis Spülung im Becher die 1000 ml Markierung erreicht hat. Dies ist die Trichterauslaufzeit (TAZ) oder Marsh-Funnel-Viskosität. Öffnung am Trichter wieder mit dem Finger verschließen.
5. Becher entleeren und die Auslaufzeit der verbleibenden Spülung messen. Gemessen wird die Zeit, bis zum vollständigen Auslaufen der verbliebenen 500ml oder bis der Spülungsstrahl abreißt und/oder zu tropfen beginnt. Dies ist die Restauslaufzeit (RAZ).

Das Auslaufröhrchen sollte ab und zu gereinigt werden, die Auslaufzeit für Wasser beträgt 28 Sekunden.

Spülungswaage

Die Spülungswaage dient zur Kontrolle des spezifischen Gewichts (Dichte) der Spülung.
Die Dichte der zurückkommenden Spülung liefert Informationen über das Austragvermögen und den Feststoffgehalt der Spülung.

Kurzanleitung:
1. Messbehälter randvoll mit Spülung füllen
2. Deckel aufsetzen, dabei muss Spülung aus Entlüftungsbohrung austreten
3. Waagebalken und Behälter von überschüssiger Spülung reinigen (abwischen)
4. Waagebalken auf Wippe aufsetzen
5. Reiter verschieben bis Waagebalken in Waage (Position Libelle)
6. Ablesen des Spülungsgewichtes (Skaleneinteilung beachten)

Einheiten spezifisches Gewicht:
SG (dimensionslos) 1,00 = 1,00 kg/dm³ = 1,00 kg/l = 1000 kg/m³

Die Waage kann mit Wasser bei ca. 20°C geeicht werden, Messwert dann 1,00. Zur Nachjustierung können am hinteren Ende des Waagebalkens Tarierschrote in den Tarierbehälter eingefüllt bzw. aus diesem entnommen werden.

Sand Content Kit

Mit dem Sandmessglas kann nur der Sandgehalt ermittelt werden, nicht der Feststoffgehalt in der Spülung. In der Spülung gelöster Ton/Schluff wird nicht erfasst. Messung an zurückkommender Spülung möglich, wichtigste Anwendung ist jedoch die Kontrolle der Effektivität von Recyclinganlagen.

Kurzanleitung:
1. Sandmessglas senkrecht halten und bis zur Markierung “Mud to here” mit Spülung füllen
2. Sandmessglas bis zur Markierung “Water to here” mit Wasser auffüllen
3. Sandmessglas mit Daumen verschließen und stark schütteln
4. Sandmessglas über das Siebröhrchen (200 mesh Sieb) ausgießen, mit Wasser auffüllen und Vorgang so lange wiederholen, bis das Glas sauber ist.
5. Trichter von oben auf das Siebröhrchen stecken, umdrehen und in die Öffnung des Sandmessglases halten. Sandrückstände auf der Unterseite des Siebes mit Wasser zurück in das Sandmessglas spülen bis das Sieb sauber ist.
6. Sandmessglas senkrecht halten Sand absetzen lassen.
7. Sandgehalt in Prozent auf der Skala am Messglas ablesen. Schwebstoffe oder Flocken auf dem Sand nicht mit messen.

API Filterpresse

(API – American Petroleum Institute)
Mit der Filterpresse werden der Wasserverlust durch Filtration und die filterkuchenbildenden Eigenschaften der Spülung simuliert.
Hierbei wird in einem abgedichteten Druckbehälter Spülung über ein spezielles Filterpapier abgepresst. Dabei simuliert das Filterpapier eine permeable Bohrlochwand. Der im Bohrloch wirksame Spülungsdruck (statisch + dynamisch) wird durch eine Druckbeaufschlagung von 7 bar (100 psi) nachgestellt.

Kurzanleitung:
1. Dichtungen, Sieb und Filterpapier in Bodenteil der Filterzelle einlegen und Bodenteil mit Zylinder handfest verschrauben.
2. Filterzelle bis ca. 12mm unter oberen Rand mit Spülung auffüllen, Deckel aufsetzen und komplette Filterzelle im Ständer arretieren.
3. Meßzylinder (25 ml) unter der Öffnung der Filterzelle platzieren
4. Druckpatrone einsetzen und Druckminderer öffnen bis Gas in Filterzelle einströmt. Entlüftungsventil geschlossen halten, Druckanzeige am Manometer auf 100 psi (7 bar) einstellen. Stoppuhr starten.
5. Filtratmenge [ml] im Zylinder nach 7½ und 30 Minuten ablesen. Nach 30 Minuten Druckminderer schließen und Druck langsam über Entlüftungsventil ablassen. Filtrat aufbewahren und ggf. analysieren (Teststreifen). Eventuelle Trübung vermerken.
6. Filterzelle auseinanderschrauben und Spülung ausgießen.
7. Filterpapier entnehmen und unter schwachem Wasserstrahl abspülen.
8. Filterpapier mit Filterkuchen durchreißen und Dicke des Filterkuchens messen/schätzen. Ebenso Konsistenz bewerten (dicht, fest, glatt, dünn, schwammig)
9. Filtratmenge und Filterkuchendicke/-Konsistenz notieren
Eine ausreichend genaue Bestimmung der Filtratmenge nach 30 min ist durch Verdopplung der Menge nach 7½ min möglich.

Viskosimeter

Mit dem Viskosimeter können die plastische Viskosität (PV), der Yield Point (YP) und die zeitabhängigen Gelstärken der Spülung bestimmt werden. Auch die Aufnahme einer Fließkurve ist möglich.

Kurzanleitung
a) Plastische Viskosität (PV), Yield Point (YP)
1. Becher des Viskosimeters bis zur Markierung mit Spülung füllen, auf dem Teller einrasten, anheben bis Flüssigkeitsspiegel an Markierung auf der Rotorhülse steht und fixieren.
2. Viskosimeter mit 600 rpm laufen lassen bis Anzeigewert konstant. Anzeigewert notieren.
3. Umschalten des Viskosimeters auf 300 rpm ohne das Gerät auszuschalten. Anzeigewert notieren wenn Anzeige konstant.
a) Plastische Viskosität (PV): = Wert bei 600 rpm minus Wert bei 300 rpm [mPas]
b) Yield Point (YP): = Wert bei 300 rpm minus PV [lbs/100 ft²]

b) Gelstärken
1. Nach Messung von PV und YP Viskosimeter für min. 15 Sekunden auf 600 rpm laufen lassen.
2. Viskosimeter ausschalten und gleichzeitig den Schaltknauf auf 3 rpm Position stellen.
3. Viskosimeter nach 10 Sekunden in 3 rpm Position einschalten und Maximalausschlag ablesen.
= Anfangs- oder 10 Sekundengelstärke [lbs/100 ft²]
4. Viskosimeter erneut für 15 Sekunden auf 600 rpm laufen lassen.
5. Viskosimeter ausschalten und gleichzeitig den Schaltknauf auf 3 rpm Position stellen.
6. Viskosimeter nach 10 Minuten in 3 rpm Position einschalten und Maximalausschlag ablesen.
= 10 Minuten-Gelstärke [lbs/100 ft²]

Indikator Papier-Teststreifen

a) Bestimmung des pH-Wertes
1. pH Teststreifen für mindestens 30 Sekunden in das zu prüfende Wasser, das Spülungsfiltrat oder auf die Oberfläche der Spülung halten.
2. Anhaftende Flüssigkeit vom Teststreifen abschütteln und die Farbveränderung der Indikatorfelder mit der Skala auf der Packung vergleichen.
3. Farbskala mit der größten Übereinstimmung entspricht dem pH-Wert der Flüssigkeit.
Messung an Bohrspülung wegen der anhaftenden Bentonitreste und der Farbtrübung häufig ungenau.

b) Bestimmung von Gesamthärte, Carbonathärte und Chloridgehalt
1. Teststreifen für die auf der Packung angegebene Zeit (in der Regel 1 Sekunde) in das zu prüfende Wasser, das Spülungsfiltrat oder auf die Oberfläche der Spülung halten.
2. Anhaftende Flüssigkeit vom Teststreifen abschütteln und nach 1 Minute das Farbmuster der Indikatorzone mit der Farbskala bzw. den Farbfeldern auf der Packung vergleichen.
3. Farbskala bzw. Farbfeld mit der größten Übereinstimmung entspricht dem Wert der Gesamthärte, Carbonathärte oder des Chloridgehaltes der getesteten Flüssigkeit.

Messung an Bohrspülung wegen der anhaftenden Bentonitreste und der Farbtrübung häufig ungenau.

Gemessener Chloridgehalt [mg/l] x 1,64 entspricht Gehalt an NaCl im Wasser [mg/l].

Achtung!
Alle Teststäbchen kühl und in verschlossener Packung aufbewahren. Haltbarkeitsdatum auf der Packung beachten. Überlagerte Teststreifen liefern verfälschte Messwerte.