Bentonit - Egeplast

Bohrspülungen
für steuerbare horizontale Spülbohrverfahren
Zusammensetzung und Aufgaben
der Bohrspülung
Andreas Schulze
M-I SWACO, A Schlumberger Company
Mobil: +49 – 172 - 5248724
E-mail: aschulze@miswaco.slb.com

Spülungszusammensetzung
• Wasser > 90 %
• pH-Wert-, Härteregulierer
• Verdickungsmittel meist Bentonit (2 – 10 %)
• Filtratsenker
• Schutzkolloide
• Gelstärkenbildner
• Inhibitoren
• Elektrolyte
• Oberflächenbenetzungsmittel
• Beschwerungsmittel
• Stopfmittel
• Konservierungsmittel

Austrag und Suspension des Bohrgutes
Eine adäquate Bohrspülung muss hinreichend Tragfähigkeit bieten um ein sauberes
Bohrloch zu erzielen.
Tragfähigkeit ist die wichtigste Fähigkeit der Bohrspülung um gelöstestes Bohrgut
aus dem Bohrloch zu transportieren.
Die notwendige Tragfähigkeit wird nach der erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit
und unter Berücksichtigung des Spülungsgewichtes, der Bohrlochgeometrie und der
Korngröße des Bohrgutes eingestellt.

Stabilisieren des Bohrloches
Filtrationskontrolle und ein dünner Filterkuchen sind von grundsätzlicher Bedeutung.
• In porösen Böden ist die Qualität des Filterkuchens von extremer Wichtigkeit.
Hier ist der Filterkuchen ein Element das die Bohrlochstabilität gewährleistet.
• In bindigen Böden ist die Menge des Filtrates von größter Bedeutung um zu
verhindern das reaktiver Boden auf Presswasser aus der Bohrspülung mit Quellen
reagiert.

Bohrlochintegrität
Das Spülungsgewicht kontrolliert den hydrostatischen Druck im Bohrloch und
verhindert damit den Zufluss von außen.
Das Spülungsgewicht hilft das Kollabieren des offenen Bohrloches zu verhindern.
Überhöhtes Spülungsgewicht kann dagegen zum Spülungsverlust führen.

Wasserbasische Spülungen
Um die grundsätzlichen Ziele zu erreichen, muss die Bohrspülung eine Vielzahl von
verschiedenen Aufgaben erfüllen können.
Bei vielen oberflächennahen Bohrungen ist eine Bentonit-Frischwasser-Suspension
ausreichend um die Aufgaben erfüllen zu können.
Sollten die speziellen Bohrbedingungen höhere Anforderungen an das Leistungsvermögen
der Bohrsuspension stellen können auch andere Additive zugemischt
werden.

Spülungstone
In oberflächennahen Spülbohrungen wird häufig Spülungston als Struktur und
Viskosität erzeugendes Element verwendet.
Ton bezeichnet ein natürlich vorkommendes Material, das sich überwiegend aus
feinkörnigen Mineralen zusammensetzt und variable Mengen an Wasser aufnehmen
kann. Viele Tonminerale können quellen.
Das höchste Quellvermögen hat Natriumbentonit. Dabei handelt es sich um
innerkristallines Quellen durch Wasseraufnahme.

Bentonit
Der wichtigste Bestandteil ist das Schichtsilikat Montmorillonit (> 60 %), was die
starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit erklärt.
Die innere Oberfläche von 1 g Bentonit beträgt 400 – 600 m² (normaler Ton: 2 m²,
Montmorrilionit 600 – 800 m²).
Trockener Bentonit dehnt sich um ein vielfaches der Ursprungsgröße aus wenn
Wasser hinzugefügt wird.
Begleitmineralien sind Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit oder auch Calcit.
Bentonit entsteht durch Verwitterung aus vulkanischer Asche.

Bentonit
Das Gestein Bentonit wurde nach der Benton-Formation in Fort Benton / Montana
benannt und ist eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien.
Der wichtigste Bestandteil ist das Schichtsilikat Montmorillonit (> 60 %), was die
starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit erklärt.

Bentonit aus Wyoming

Bentonit aus Wyoming

Bentonit aus Wyoming

Bentonit
Bentonite:
Natürliche Natrium Bentonite
Aktiv Bentonite
(mit Soda aktivierte Kalzium Bentonite)

Montmorillonit
Montmorillonit ist ein 3-Schicht-Silikat mit höchster innerkristalliner Quellfähigkeit.
Wird Montmorillonit mit Süßwasser gemischt dringt dieses zwischen die
Schichtplättchen und drängt diese auseinander.
Mechanische Scherkräfte beschleunigen die Trennung und Hydration.
Ur-Schichtdicke der Plättchen: 0,0009 µm
Paketdicke nach der Hydration: bis 2 µm

Dosierungen und Quellzeiten von Bentoniten
API Grade Bentonit
Dosierung:
Quellzeit:
45 – 90 kg/m³
1 – 24 h
Premium Bentonit (z.B. Wyoming-Typ)
Dosierung:
20 – 40 kg/m³
Quellzeit:
10 – 15 min
Ein-Sack-Systeme
Dosierung:
Quellzeit:
20 – 40 kg/m³
10 – 15 min

Strukturen im Untergrund
Nichtbindige Strukturen (Klastite):
Bindige Strukturen (Pelite):
Biogene Strukturen:
Sand, Kies, Schotter,…
Ton, Schluff, Mergel, Löss,…
Moor, Torf,…
Kompakte Strukturen (Fels):
Erstarrungsgestein
Vulkangestein
Sedimentgestein
Umwandlungsgestein
Hohlräume:
Granit, Gabbro,…
Basalt, Tuff,…
Kalk, Kreide, Gips, Anhydrit, Salze,
Tonstein, Sandstein, Konglomerat, Brekzie,
Braunkohle, Steinkohle,…
Schiefer, Gneis,…
Grundwasser, Methan, Sauergas,…

Nichtbindige Strukturen (Klastite)
Sand, Kies, Schotter gut durchlässig, oft gut gerundet
Anforderungen an die Bohrspülung:
• Viskosität
• Hohe Fließgrenze
• Gelstärke
• Filterkuchen
• Thixotropie (Scherverflüssigung)
rheologische (mechanische) Eigenschaften

Viskosität
WIDERSTAND GEGEN DAS FLIESSEN
Geringe Viskosität ist erwünscht solange die notwendige Tragfähigkeit erreicht wird.
Viskosität
Viskosität +
Gelstärke

Gelstärke
Gelstärke ist wichtig zur Suspension („In Schwebe-Haltung“) von Bohrklein beim
Pumpenstillstand.
Höchstes Suspensionsvermögen
haben:
•DUO-VIS
•(DRILPLEX-MAXGEL-System

Gelstärke
a: 2,5 kg/m³, SV: 12 cP, 365 s
POLYPAC-R
b: 4,2 kg/m³, SV: 26 cP, 107 s
c: 5,8 kg/m³, SV 25 cP, 52 s
DUO-VIS
Guar
Gum

Filtration
Auf permeabler Oberfläche entwickelt sich durch physikalische Abdichtung von
Mikroporen ein Filterkuchen.

Filterkuchen

Filtratsenker
Filtratsenker sind nach den Viskositätsbildnern die wichtigsten Additive.
• Carboxymethylcellulose (CMC) M-I CMC
• Polyanionische Cellulose (PAC) POLYPAC
• Amylopectin, Amylose (Stärke) POLYSAL
• Xanthan Gum DUO-VIS
• u.a.

Störungen durch aktive Tone
Störstoffe und Gegenmaßnahmen
Reaktive Tone werden durch
den Sauerstoff des Wassers aktiviert
Bohrgestänge
Quellung
Bohrspülung
aktive Tone
Inhibierung
hohe Reibung
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Einkapselung und Oberflächenbenetzung
PHPA / Elektrolyte
ROD EASE

Bindige Böden
Tone und Böden mit hohem Tonmineralbestand z.B. Schluff, Mergel, Schiefer, Löss, …
können klebrig werden und quellen.
STRUKTURÄNDERUNG DURCH FEUCHTIGKEITSGEHALT
Chemische Probleme erfordern chemische Lösungen
• Filtratkontrolle: Filtratsenker
• Inhibierung: Elektrolyte
• Einkapselung: PHPA (Partially Hydrolyzed Poly Acrylamide)
• Benetzung: Schmiermittel, Tenside
• Verdünnung: Verflüssiger

Biogene Böden
z.B. Moor, Torf,…
enthalten saures Grundwasser durch Huminsäure.
- Primär kommt es zu einer Schädigung von Bentonit
- Sekundär werden durch Ionenaustausch Schwermetalle erzeugt welches dann
Zelluloseprodukte schädigt.
Saures Grundwasser erfordert die Erhöhung des pH-Wertes mit alkalischen
Zusätzen Soda Ash

Brunnenelemente und Drainagen
Brunnenelemente erfordern feststoffarme bzw. feststofffreie Spülungen
biologisch oder chemisch abbaubare Additive, kein Bentonit oder andere
unlösliche Stoffe
Geeignet sind Biopolymere Xanthan Gum, Guar Gum, Stärke

Spülungsverlustbekämpfung
schleichender und totaler Spülungsverlust kann durch den Einsatz von Stopfmitteln
(Lost Circulation Material) bekämpft werden
• Harte Stopfmittel z.B. Zement, Zement-Bentonitgel
• Weiche Stopfmittel z.B. POLYSWELL, Graphit, Nussschalen, Zelluloseund
Mineralfasern, DRILPLEX-System,
Sägespäne, Glimmer, Kreide,…

„Liquid Casing“
DRILPLEX – MAX GEL Spülung in einer Spalte. Mit abnehmender Scherrate erhöht
sich die effektive Viskosität und die Suspension vergelt.

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