Spülbohrverfahren

Spülbohrverfahren (Spb):

Bei den Spb-Verfahren wird das Bohrgut kontinuierlich in einem Spülstrom von der Bohrlochsohle in eine Spülgrube oder Spülwanne gefördert. Hier setzt sich das Bohrgut ab und sedimentiert. Die so gereinigte Spülung wird dann im Spülungskreislauf zurück zur Bohrlochsohle gepumpt.

Die Spülbohrverfahren entwickelten sich bei Ölbohrungen in Amerika und fanden ab 1960 auch im deutschen Brunnenbau Anwendung. Es handelte sich um direkte Spülbohrverfahren mit Drehtisch und Kelly, die auch heute noch unter dem Begriff Rotarybohren zum Einsatz kommen.

Standsicherheit des Bohrloches:

Die Bohrlochsicherungerfolgt beim Spb vor allem durch den hydrostatischen Überdruck der bis GOK reichenden Spülungssäule gegenüber dem GW-Spiegel.

Diese Differenz sollte mindestens 2 - 3 m (entsprechend einem Überdruck von 0,2 bis 0,3 bar) betragen, um ein Einfallen des Bohrloches zu verhindern. Die Spülung ersetzt in diesem Fall die Verrohrung

 

Bei tiefliegendem Grundwasserspiegel ist die Standsicherheit des Bohrloches zwar aufgrund des hohen hydrostatischen Überdruckes größer, jedoch besteht auch die Gefahr einer Infiltration von Spülung in die Poren des GW-Leiters. Eine tief reichende und unerwünschte Infiltration von Spülung und evtl. der in ihr enthaltenen Feinteile soll durch die Bildung eines möglichst dünnen und undurchlässigen Filterkuchens verhindert werden.

Dieser Filterkuchen, der mit Hilfe von Bentoniten und/oder CMC-Produkten gebildet wird, sollte u.a. folgende Aufgaben erfüllen:

-    Verhindern des Dispergierens (Auflösens) von Ton, dadurch weniger Aufladung

-    Verbesserung des Absetzverhaltens des Bohrkleins im Spülteich

-    Reduzierung des Filtrates in den Grundwasserleiter

-    Verhindern des Aufquellens von durchbohrten Tonfraktionen

Beim Anbohren von artesischen Grundwasserleitern kann durch geeignete Beschwerungsmittel die Dichte der Spülung soweit heraufgesetzt werden, dass der hydrostatische Druck der Spülungssäule den Auslaufdruck übersteigt und der Arteser beherrscht werden kann.

 

Spülung:

Die bei Brunnenbohrungen eingesetzte Spülung kann bestehen aus:

            -    Klarwasser

            -    Wasser mit Spülungszusätzen

            -    Luft (evtl. mit Zusätzen)

Die Spülung hat entscheidende Bedeutung bei:

-    der Bohrgutförderung

-    der Unterstützung des Bohrvorganges

-    der Bohrlochsicherung

Der Einsatz und die Zusammensetzung der Bohrspülung ist abhängig von:

            -    Bohrverfahren

            -    Ziel der Bohrung

            -    durchteuften Boden- bzw. Gesteinsschichten

Der Einsatz der Spülung und die Dosierung der notwendigen Spülungszusätze setzen genaue Kenntnisse über die jeweilige Wirkung in der Spülung voraus. Hierzu ist es notwendig, die Wirkung der Spülungszusätze den unterschiedlichen Aufgaben zuzuordnen. Das DVGW Regelwerk hat Eigenschaften, Einteilungen und Hinweise zu deren Anwendung im Merkblatt W 116 zusammengefasst.

 

Aufgaben der Spülung:

Grundsätzlich hat die Spülung folgende Aufgaben:

            -    Stabilisieren der Bohrlochwand

            -    Schonung der Bohrlochwand und des GW-Leiters

            -    Austragen des Bohrgutes

            -    Sedimentation des Bohrgutes im Spülteich

            -    Unterstützung des Bohrvorganges

            -    Sauberer Abtrag des Bohrgutes von der Bohrlochsohle

            -    Kühlen und Schmieren von Bohrwerkzeug und Gestänge

            -    ggf. Antrieb eines Bohrwerkzeuges (Imlochhammer, Bohrturbine)

 

Die Stabilisierung der Bohrlochwand ist in erster Linie abhängig von der GW-Spiegel/Spülungsspiegel-Differenz. Herrscht eine große Differenz, liegt der GW-Spiegel also recht tief, infiltriert das Bohrlochwasser/die Spülung mit entsprechend hohem Druck in den GW-Leiter. Liegt der GW-Spiegel bei einem artesisch gespannten GW-Leiter oberhalb des GW-Spiegels, muss durch Zugabe von Beschwerungsmitteln ein ausreichend hoher Gegendruck über die Spülungssäule aufgebaut werden.

In grobkörnigen, zu Nachfall neigenden Lockergesteinen kann durch Zugabe von Bentonit die Bohrlochwand stabilisiert werden.

Die Schonung der Bohrlochwand kann durch einen dichten, möglichst dünnen (Richtwert laut DVGW W 116: < 1 mm) und geschmeidigen Filterkuchen erreicht werden. Außerdem ist durch ein gutes Sedimentierverhalten in den Spülwannen bzw. im Spülteich zu verhindern, dass sich die Spülung unnötig mit erbohrtem Bohrklein auflädt, welches sonst durch den Spülungsdruck in die Poren des Wasserleiters abwandert.

 Im Allgemeinen ist eine guter Bohrgutaustrag abhängig von:

-    der Tragfähigkeit (Viskosität) der Spülung

-    der Aufstiegsgeschwindigkeit der Spülung

-    der Größe und Form des Bohrkleins bzw. Cuttings

-    dem Sedimentationsvermögen

Die Tragfähigkeit des Spülungsmediums kann bei Wasser durch Zugabe von Spülungszusätzen (Bentoniten und/oder Polymeren) oder bei Druckluft durch Zugabe von Schäumungsmitteln erhöht werden. Sie erhöhen die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Spülung und ermöglichen somit geringere Aufstiegsgeschwindigkeiten.

Die im Brunnenbau gebräuchlichsten Spülungszusätze lassen nach ihren Haupteigen-schaften in folgende Gruppen einteilen:

  • Feststrukturbildner (Bentonite, Aktivbentonite)
  • Flüssigkeitsstrukturbildner / Filtratsenker (Polymere)
  • Beschwerungsmittel (z.B. Schwerspat, Kreide)
  • Stopfungsmaterial (z.B. Glimmer, Nussschalen)   
  • Organische Zusätze (z.B. Soda)        

Als Feststrukturbildner werden in der Spülungstechnik Bentonite bzw. Aktivbentonite eingesetzt. Diese hochwertigen Tonmehle erhöhen die Viskosität der Bohrspülung und verbessern somit deren Tragfähigkeit insbesondere bei geringen Spülungsaufstiegsgeschwindigkeiten. Eine weitere entscheidende Eigenschaft ist die thixotrope Sol-Gel-Umwandlung unter Wasser. Bentonite neigen im Ruhezustand zur Ausbildung einer Gerüststruktur durch Aneinanderhaften der Tonplättchen. Diese messbare Festigkeit des Kartenhausgerüstes wird als Gelstärke bezeichnet. Sie ist jedoch so gering, dass sie durch eingebrachte Energie (Rühren oder Pumpen) wieder zerstört wird und das Gel wieder in den flüssigen Sol-Zustand übergeht.

Die durch Gelieren hinter der Bohrlochwand entstehenden stabilisierten Porenzonen sind wasserundurchlässig und bilden die Grundlage für einen Filterkuchen (auch Filterkruste genannt). Somit kommt es idealerweise zu einer Reduzierung des Filtratwassers.

Bedingt durch die Eigenschaft bei Stillstand zu gelieren wird allerdings das Sedimentationsverhalten des Bohrkleins im Spülteich verschlechtert.

 

Als Flüssigkeitsstrukturbildner werden im Brunnenbau überwiegend halbsynthetische Cellulose-Polymere eingesetzt. Hauptbestandteil ist pflanzlicher Zellstoff, der durch Veretherung in wasserlösliche Roh-Na+-Carboxy-Methyl-Cellulose umgewandelt wird. Je nach Reinheitsgrad werden folgende halbsynthetische Polymere unterschieden:

 

Carboxy-Methyl-Cellulose (CMC) / Technische CMC:

  • STÜWA-HIPERCEL LV (niedrigviskos)
  • STÜWA-HIPERCEL HV (hochviskos)

Polyanionische Carboxy-Methyl-Cellulose (PAC) /Rein-CMC:

  • STÜWA-FLOW PAC
  • Antisol FL 30.000

In Ausnahmefällen kommen auch vollsynthetische Polymere zu Einsatz:

Polyacrylamide (PAA):

  • GS 550

Polyacrylate (PA)

Flüssigkeitsstrukturbildner bzw. Filtratsenker (PAC, CMC, PAA und PA) haben ein sehr hohes Wasserbindevermögen. Dadurch wirken sie viskositätserhöhend und verbessern die Tragfähigkeit der Bohrspülung ohne Ausbildung einer Gelstärke. In Kombination mit Tonen wird ein undurchlässiger Filterkuchen gebildet. Als Schutzkolloid schützen sie vor dem Aufquellen durchteufter Tonhorizonte und vor weiterem Zerfallen des tonigen Bohrkleins.