DE102004039107A1 - Filling material for the gap between a probe and the surrounding earth in a bore hole, comprises mineral clay, a binding agent, powder or granulate, and water - Google Patents

Filling material for the gap between a probe and the surrounding earth in a bore hole, comprises mineral clay, a binding agent, powder or granulate, and water Download PDF

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Abstract

A filling material for a bore hole, for filling the annular gap between the hole and a heat probe, consists of 0.3-25wt% of a clay mineral, 10-65wt% of a hydraulic binding agent, 3- 30wt% of a powder or granulate heat conducting additive, and 30-60wt% water.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochwärmeleitfähigen Baustoff zur Verfüllung von tiefen Erdwärmesonden.The The invention relates to a highly heat-conductive building material for backfilling of deep geothermal probes.

Derzeitiger Stand der Technik:Current state of the Technology:

Erdwärmesonden sind aus der DE 1995865A1 bekannt.Geothermal probes are from the DE 1995865A1 known.

Die DE 19958765A1 verweist überdies auf VDI-Richtlinien VDI 4640, Blatt 1. Erdwärmesonden sollen nach dieser Druckschrift benutzt werden, um umgebendes Erdreich als Wärmespeicher zu benutzen. Dabei wird Überschußwärme in das Erdreich geleitet und bei Bedarf wieder abgerufen. Für die Erdwärmesonden werden Löcher in das Erdreich gebohrt. Für die Erdwärmesonden werden in geeigneten Bodenzonen vertikale Löcher gebohrt, die in der Regel eine Länge von mehr als 10m aufweisen und deren Durchmesser ungefähr 20 cm beträgt. Größere Bohrlängen als 50 m sind jedoch für solche Systeme unzweckmäßig,
weil beim Transport von Wärme auch ein erheblicher Wärmeverlust zu berücksichtigen ist und
weil das Temperaturniveau in den bekannten Wärmespeichersystemen zu gering ist, um größere Transportstrecken überwinden zu können.The DE 19958765A1 also refers to VDI guidelines VDI 4640, page 1. Geothermal probes are to be used according to this document to use surrounding soil as a heat storage. This excess heat is conducted into the soil and retrieved as needed. For the geothermal probes holes are drilled into the ground. For the geothermal probes, vertical holes are drilled in suitable ground zones, which usually have a length of more than 10m and whose diameter is about 20 cm. However, longer drilling lengths than 50 m are impractical for such systems,
because the transport of heat and a considerable heat loss must be considered and
because the temperature level in the known heat storage systems is too low to overcome larger transport distances can.

Nach Einsetzen der Sonden wird der umgebende Hohlraum verfüllt. Das Verfüllmaterial ist üblicherweise eine Mischung aus Wasser, Ton oder tonhaltigem Material (z.B.Bentonit), hydraulischem Bindemittel (z.B. Zement, Kalk) und Quarzsand. Die Bestandteile Wasser, Ton und hydraulisches Bindemittel bilden das eigentliche Bindemittelsystem. Der Quarzsand dient als Füllstoff und zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. Zur weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist nach der DE 19958765A1 eine Zumischung von feinkörnigem Graphit vorgesehen.After insertion of the probes, the surrounding cavity is filled. The backfill material is usually a mixture of water, clay or clay-containing material (eg bentonite), hydraulic binder (eg cement, lime) and quartz sand. The components water, clay and hydraulic binder form the actual binder system. The quartz sand serves as a filler and to increase the thermal conductivity. To further increase the thermal conductivity is after the DE 19958765A1 an admixture of fine-grained graphite provided.

Bei tiefen Erdwärmesonden (> 500 m Bohrlochtiefe) ist zur Sicherstellung einer effizienten und damit wirtschaftlichen Verfüllung der Einsatz eines Verfüllmaterials mit hoher Frühfestigkeit von zentraler Bedeutung. Hierdurch wird die Standsicherheit des Bohrloches bereits nach 24 Stunden gewährleistet und das entsprechende Verfüllequipment kann frühzeitig abgeb auf werden. Neben einer Stabilisierung des Bohrloches besteht die Hauptaufgabe eines Verfüllmaterials für Erdwärmesonden darin, eine möglichst optimale thermische Ankopplung der Sonde an die umgebenden Gesteinsformationen zu gewährleisten.at deep geothermal probes (> 500 m drill hole depth) is to ensure efficient and therefore economic backfilling the use of a filling material with high early strength central. As a result, the stability of the Borehole already guaranteed after 24 hours and the corresponding Verfüllequipment can be early be put on. In addition to a stabilization of the borehole exists the main task of a backfill material for geothermal probes in it, one possible optimal thermal coupling of the probe to the surrounding rock formations to ensure.

Verfüllmaterialien unterliegen in tiefen Bohrlöchern sehr schwierigen Bedingungen (ca. 100 Grad Celsius und ca. 30 MPa Druck). Mit dem aus der DE 19958765A1 bekannten Material entstehen nach 24 Stunden in tiefen Bohrlöchern jedoch keine messbaren Druckfestigkeiten. Eine schnelle und damit wirtschaftliche Stabilisierung des Bohrloches ist daher mit dem bekannten Material nicht gegeben. Auch durch eine Zugabe von Beschleuniger ist der geforderte Festigkeitsverlauf nicht darstellbar.Filling materials are subject to very difficult conditions in deep boreholes (about 100 degrees Celsius and about 30 MPa pressure). With the from the DE 19958765A1 However, known material produced after 24 hours in deep wells no measurable compressive strengths. A fast and thus economic stabilization of the borehole is therefore not given with the known material. Even with the addition of accelerator, the required strength curve can not be displayed.

Bei der Erstellung von tiefen Erdwärmesonden wird der zwischen Bohrlochwand und Sondengestänge verbleibende Ringraum nach derzeitigem Stand der Technik mit konventionellen Zementen verfüllt. Grundsätzliche Voraussetzung für den gewünschten hohen Wärmeübertrag aus dem umgebenden Untergrund auf die Sonde ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials. Die Zusammensetzung konventioneller Zemente nach DIN EN 197, DIN 1164 Teil 1 oder dem API Classification System sind jedoch nicht auf das Erreichen einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit ausgelegt.at the creation of deep geothermal probes is the remaining between the borehole wall and probe rod annulus after the current state of the art filled with conventional cements. basic requirement for the wished high heat transfer from the surrounding ground on the probe is a high thermal conductivity of the filling material. The composition of conventional cements according to DIN EN 197, DIN However, 1164 Part 1 or the API Classification System are not to achieve the highest possible thermal conductivity designed.

Darüber hinaus wiesen Suspensionen aus konventionellen Zementen hohe Feststoffgehalte auf. Dies führt dazu, dass nach dem Einbringen der frischen Zementsuspension, speziell in den tieferen Bohrlochbereichen, extreme Drücke auf das Gestänge der Erdwärmesonde wirken. Daher muß das im Bohrloch befindliche Sondengestänge mit entsprechendem Kostenaufwand auf diese hohen Druckbelastungen ausgelegt werden. Übersteigt der Suspensionsdruck die Festigkeit der an der Bohrlochwand anstehenden Gesteine, kann es zudem zu hohen Suspensionsverlusten kommen, die die erfolgreiche Verfüllung des Ringraumes und die Stabilität des Bohrloches gefährden.Furthermore Suspensions of conventional cements had high solids contents. this leads to to that after the introduction of the fresh cement suspension, specifically in the deeper borehole areas, extreme pressures on the linkage of the geothermal probe Act. Therefore, that must downhole probe linkage with a corresponding cost be designed for these high pressure loads. exceeds the suspension pressure the strength of the pending on the borehole wall Rocks, it may also lead to high suspension losses, the the successful backfilling of the annulus and the stability of the borehole.

Des Weiteren weisen ausgehärtete Zementsuspensionen hohe Endfestigkeiten auf und zeigen demzufolge ein extrem sprödes Materialverhalten. Daher genügen bereits geringe Bewegungen der Sonde oder der umgebenden Gesteinsformation, um einen Abriß der thermischen Kopplung zwischen Sonde und umgebendem Untergrund zu bewirken.Of Others have hardened Cement suspensions high ultimate strengths and show accordingly an extremely brittle Material behavior. Therefore, suffice even slight movements of the probe or the surrounding rock formation, an outline of the thermal coupling between the probe and the surrounding ground cause.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Erdwärmesonden für Tiefbohrungen möglich zu machen.The The invention has the object of geothermal probes for deep drilling possible to do.

Mit Erdwärmesonden kann aus Tiefbohrungen Erdwärme abgezogen werden. Im Prinzip ist der Aufbau solcher Erdwärmesonden ähnlich dem oben beschriebenen bekannten Aufbau. Allerdings zeigt sich, dass das bekannte Verfüllmaterial den Anforderungen/Belastungen in Tiefbohrungen nicht gewachsen ist.With geothermal probes can geothermal heat from deep wells subtracted from. In principle, the structure of such geothermal probes is similar to above-described known structure. However, it turns out that the well-known backfill material the requirements / loads in deep wells is not equal.

Bei bekannten Tiefbohrungen wird der zwischen Bohrlochwand und Sondengestänge verbleibende Ringraum mit konventionellen Zementen verfüllt. Die Zusammensetzungen konventioneller Zemente nach DIN EN 197, DIN 1164 Teil 1 oder dem API Classification System sind jedoch nicht auf das Erreichen einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit ausgelegt. Das ist in den Bereichen geringer Bohrtiefe unschädlich, zum Teil sogar gewünscht, weil das dort anstehende Wärmeniveau eher eine Kühlung als eine weitere Erwärmung des in der Erdwärmesonde zirkulierenden, dem Wärmetransport dienenden Mediums bewirkt.In known deep wells of zwi the back wall of the borehole and probe linkages are filled with conventional cements. However, the compositions of conventional cements according to DIN EN 197, DIN 1164 part 1 or the API Classification System are not designed to achieve the highest possible thermal conductivity. This is harmless in the areas of low drilling depth, in part even desired, because the pending there heat level rather cooling than further heating of circulating in the geothermal probe, the heat transport medium serving causes.

In großen Bohrlochtiefen wird der hohe Feststoffgehalt konventioneller Zemente als Nachteil angesehen. Insbesondere in den großen Bohrlochtiefen wirken nach dem Einbringen der frischen Zementsuspension extreme Drücke auf das Gestänge der Erdwärmesonde.In huge Well depths will be the high solids content of conventional cements regarded as a disadvantage. Especially in the large borehole depths are decreasing the introduction of the fresh cement suspension extreme pressures the linkage the geothermal probe.

Die Leistung von Erdwärmesonden, mit denen Erdwärme abgezogen wird, hängt von der Wärmeaufnahme der Sonden ab. Zur Leistungssteigerung des Systems soll deshalb nach Verfüllmaterial mit Graphit auch in tiefen Erdbohrungen von z.B. 500 m und mehr Anwendung finden.The Power of geothermal probes, with those geothermal is deducted, hangs from the heat absorption of the probes. Therefore, to increase the performance of the system with backfilling material Graphite also in deep wells of e.g. 500 m and more application Find.

Die Erfindung hat erkannt, dass dies nicht durch einfache Übernahme des bekannten Verfüllmaterials möglich ist. Bei dem bekannten Verfüllmaterial ist ein klinkerames und hüttensandreiches Bindemittel vorgesehen, um eine ausreichende Verarbeitungszeit sicherzustellen. Derartige Materialien erreichen aber unter den in tiefen Bohrlöchern herrschenden Bedingungen (Temperatur von z.B. 100 Grad Celsius und Druck von z.B. 30 MPa) nach 24 Stunden keine messbaren Druckfestigkeiten. Eine schnelle und wirtschaftliche Stabilisierung des Bohrloches ist deshalb mit dem bekannten Verfüllmaterial nicht möglich. Auch durch eine einfache Zugabe von Beschleunigern ist der geforderte Festigkeitsverlauf nicht darstellbar.The Invention has realized that this is not by simple adoption the known filling material possible is. In the known backfill material is a klinkerames and Hüttensandreiches Binder provided to ensure a sufficient processing time. However, such materials reach below those prevailing in deep boreholes Conditions (temperature of, for example, 100 degrees Celsius and pressure of e.g. 30 MPa) after 24 hours no measurable compressive strengths. A fast and economical stabilization of the well is therefore with the known filling material not possible. Also by a simple addition of accelerators is the required Strength curve can not be displayed.

Die Erfindung hat erkannt, dass es für eine ausreichende Verfüllung des Ringraumes tiefer Erdwärmesonden auf eine schnelle und sichere Stabilisierung des Bohrloches ankommt.The Invention has recognized that it is for a sufficient backfilling the annulus of deep geothermal probes on a fast and safe stabilization of the borehole arrives.

Nach der Erfindung wird das in Anwendung von Graphit dadurch erreicht, dass das Verfüllmaterial aus einem klinkerreichen Bindemittel, einer quellfähigen Tonkomponente und Graphit als hochwärmeleitfähigem Additiv erreicht. Durch diese Zusammensetzung können die Nachteile der oben aufgeführten, bekannten Verfüllmaterialien kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfüllmaterial hat einen vergleichsweise geringen Feststoffgehalt. Gleichwohl sind eine ausreichende Verarbeitungszeit, eine ausreichend schnelle Festigkeitsentwicklung und eine hohe Frühfestigkeit gewährleistet. Hierdurch ergibt sich auch mit dem bekannten Graphit eine wirtschaftliche Verfüllung der tiefen Bohrlöcher und eine sichere Stabilisierung des Bohrloches. Dabei ist mindestens eine Wärmedurchgangszahl von 1,5 W/(m·K), vorzugsweise mindestens eine Wärmedurchgangszahl von 1,75 und noch weiter bevorzugt eine Wärmedurchgangszahl von 2 W/(m·K) vorgesehen.To invention achieves this by using graphite, that the backfill material from a clinker-rich binder, a swellable clay component and graphite as a highly heat-conductive additive reached. By this composition, the disadvantages of the above listed, known filling materials be compensated. The filling material according to the invention has a comparatively low solids content. Nevertheless, sufficient processing time, a sufficiently fast strength development and a high early strength guaranteed. This results in an economic even with the known graphite backfilling the deep holes and safe stabilization of the borehole. It is at least a heat transfer coefficient of 1.5 W / (m · K), preferably at least one heat transfer coefficient of 1.75 and more preferably a heat transfer coefficient of 2 W / (m · K) is provided.

Die in der erfindungsgemäßen Mischung enthaltene Tonkomponente ermöglicht die Herstellung einer stabilen und sehr gut fließfähigen Suspension, mit der die Ringräume von tiefen Erdwärmesonden sicher und vollständig verfüllt werden können. Der geringe Feststoffgehalt des Verfüllmaterials führt dazu, dass der hydrostatische Druck, der vor der Erhärtung des Materials auf der Sonde lastet, im Vergleich zu einem Einsatz von Zementsuspensionen drastisch reduziert wird. Schließlich wird durch eine im Vergleich zu konventionellen Zementen geringere Endfestigkeit sowie durch die Tonkomponente des erfindungsgemäßen Verfüllmaterials langfristig ein plastischer Charakter des erhärteten Materials erreicht. Hierdurch bleibt auch bei Bewegungen der Sonde oder der umgebenen Gesteinsformationen eine kraftschlüssige Anbindung und damit eine thermische Kopplung an den umgebenden Untergrund erhalten.The contained in the mixture according to the invention Sound component allows the preparation of a stable and highly flowable suspension with which the annular spaces of deep geothermal probes safe and complete filled can be. Of the low solids content of the filling material leads to, that the hydrostatic pressure, before the hardening of the material on the Probe loads dramatically compared to using cement suspensions is reduced. After all is characterized by a lower final strength compared to conventional cements and by the clay component of the filling material according to the invention in the long term a plastic Character of the hardened Materials reached. This also keeps the probe moving or the surrounding rock formations a non-positive connection and thus obtain a thermal coupling to the surrounding ground.

Durch Graphit wird eine exzellente Wärmeübertragung auch bei den geringen Feststoffgehalten erreicht.By Graphite becomes an excellent heat transfer achieved even at the low solids content.

Die erfindungsgemäße Stabilität des Verfüllmaterials schließt auch eine ausreichende Volumensstabilität ein und nachteiligen Schrumpf aus.The Stability of the filling material according to the invention includes also a sufficient volume stability and adverse shrinkage out.

Das erfindungsgemäße Verfüllmaterial hat zum Beispiel folgende Zusammensetzung: Beispiel 1 mit schneller Festigkeitsentwicklung, hohem Festigkeitsniveau, fließfähiger Konsistenz sowie hoher Wärmeleitfähigkeit:
57 Gew% hydraulisches Bindemittel
0,6 Gew% quellfähige Tonkomponente
6 Gew% Graphit
36,4 Gew% Wasser
Alle Prozentangaben bezogen auf das Gesamtgewicht des fließfähigen VerfüllmaterialsThe filling material according to the invention has for example the following composition: Example 1 with rapid strength development, high strength level, flowable consistency and high thermal conductivity:
57% by weight hydraulic binder
0.6% by weight swellable clay component
6% by weight graphite
36.4% by weight of water
All percentages based on the total weight of the flowable filling material

Beispiel 2 mit moderater Festigkeitsentwicklung, hoher Plastizität, fließfähiger Konsistenz und hoher Wärmeleitfähigkeit:
18 Gew% hydraulisches Bindemittel
6 Gew% quellfähige Tonkomponente
16 Gew% Graphit
60 Gew% Wasser
Alle Prozentangaben bezogen auf das Gesamtgewicht des fließfähigen VerfüllmaterialsExample 2 with moderate strength development, high plasticity, flowable consistency and high thermal conductivity:
18% by weight hydraulic binder
6% by weight swellable clay component
16% by weight graphite
60% by weight of water
All percentages based on the total weight of the flowable filling material

In anderen Beispielen liegt der Anteil an quellfähigem Tonmineral bei 0,3 bis 25 Gew%, der Anteil des hydraulischen Bindemittels bei 10 bis 65 Gew%, der Anteil an pulver oder granulatförmiger hochwärmeleitender Zusatzstoffe bei 3 bis 30 Gew%, der Anteil an Wasser bei 30 bis 60 Gew%.In In other examples, the proportion of swellable clay mineral is 0.3 to 25% by weight, the proportion of the hydraulic binder at 10 to 65% by weight, the proportion of powder or granular highly heat-conducting Additives at 3 to 30% by weight, the proportion of water at 30 to 60% by weight.

Das hydraulische Bindemittel besteht vorzugsweise aus Zementen, insbesondere aus Normzementen nach EN197-1, ferner aus Normzementen nach dem API Classification System.The Hydraulic binder is preferably made of cements, in particular from standard cements according to EN197-1, furthermore from standard cements according to API Classification System.

Im einzelnen kann es sich handeln um
Portlandzement
Portlandhüttenzement
Portlandsilicastaubzemente
Portlandpuzzolanzement
Portlandflugaschezement
Portlandschieferzement
Portlandkalksteinzement
Puzzolanzement
API Class A-Zement,
API Class B-Zement
API Class C-Zement
API Class G-Zement
API Class H-ZementIn detail, it can be about
Portland cement
Portland slag cement
Portland silica fume cements
Portlandpuzzolanzement
Portland fly ash cement
Portland cement slate
Portland limestone cement
pozzolan
API Class A Cement,
API Class B cement
API Class C Cement
API Class G Cement
API Class H Cement

Vorzugsweise ist der hochwärmeleitende Zusatzstoff ein Blähgraphit und/oder Eisenoxid. Die Korngröße des Blähgraphits oder Eisenoxids liegt wahlweise zwischen 0,001 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,001 und 0,5 mm.Preferably is the high heat conductor Additive an expandable graphite and / or iron oxide. The grain size of the expanded graphite or iron oxide is optionally between 0.001 mm and 1 mm, preferably between 0.001 and 0.5 mm.

Wahlweise besitzt das Verfüllmaterial noch einen inerten Füller.Optional owns the filling material another inert filler.

Der Füller wird zum Beispiel durch Kalksteinmehl oder einen anderen inerten Stoff gebildet.Of the ink pen is made for example by limestone meal or another inert Fabric formed.

Der Fülleranteil beträgt wahlweise bis zu 30 Gew% von dem Verfüllmaterial in oben beschriebener fließfähiger Form.Of the filler content is optionally up to 30% by weight of the backfill material described above flowable form.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, Verzögerer in das Verfüllmaterial einzumischen.Furthermore it may be beneficial to retarder in the filling material interfere.

Verzögerer können sein:
Glucose,
Fructose,
Saccharose,
Hydroxycarbonsäuren wie Weinsäure,
Gluconsäure,
Gluconsäurelacton,
Heptonsäure
Zitronensäure,
Gallussäure,
Pyrogallol
Apfelsäure,
Tartronsäure,
2,4,6-Trihydoxybenzoesäure
oder
deren jeweilige Mono- und Dialkalisalze oder deren Hydrate.Retarders can be:
Glucose,
fructose,
sucrose,
Hydroxycarboxylic acids such as tartaric acid,
gluconic,
gluconolactone,
heptonic
Citric acid,
Gallic acid,
pyrogallol
Malic acid,
tartronic,
2,4,6-Trihydoxybenzoesäure
or
their respective mono- and dialkali salts or their hydrates.

Der Verzöger kommt wahlweise in einer Menge bis 2 Gew% zur Anwendung, bezogen auf das Verfüllmaterial in oben beschriebener fließfähiger Form Der Verzögerer kann dabei sowohl in der werksfertigen Trockenmischung enthalten sein als auch vor Ort in die bereits aufbereitete Suspension zugegeben werden.Of the Delay is optionally used in an amount of up to 2% by weight, based on the backfill material in flowable form described above The retarder can be included both in the factory-ready dry mix be added as well as locally in the already prepared suspension become.

Von Vorteil können auch Verflüssiger sein.From Advantage can also liquefier be.

Als Verflüssiger kommen zum Beispiel in Betracht:
Modifizierte oder unmodifizierte Lignin- und Naphtalinsulfonate
Sulfonierte Naphthalinformaldehydkondensate
Sulfonierte Melaminformaldehydkondensate
Sulfonierte Phenolformaldehydkondensate
Acrylsäure bzw. Acrylamid-Gemische
oder
deren MischungenSuitable condensers, for example, are:
Modified or unmodified lignin and naphthalene sulfonates
Sulfonated naphthalene formaldehyde condensates
Sulfonated melamine-formaldehyde condensates
Sulfonated phenol formaldehyde condensates
Acrylic acid or acrylamide mixtures
or
their mixtures

Der Verflüssiger kommt wahlweise in einer Menge bis 2 Gew% zur Anwendung, bezogen auf das Verfüllmaterial in oben beschriebener fließfähiger FormOf the condenser is optionally used in an amount of up to 2% by weight, based on the backfill material in flowable form described above

Der Verflüssiger kann dabei sowohl in der werksfertigen Trockenmischung enthalten sein als auch vor in die bereits aufbereitete Suspension zugegeben werden.Of the condenser can be included both in the factory-ready dry mix be as well as before added to the already prepared suspension become.

Von Vorteil kann auch ein Stabilisierer sei.From Advantage can also be a stabilizer.

Als Stabilisierer kommen zum Beispiel in Betracht:
Stärken oder deren Derivate
Vernetzte Stärken
Dextrine,
Pullulan,
Carboxymethylstärken,
Carboxymethylcellulosen,
Methylcellulosen,
Ethylcellulosen,
Hydroxymethylcellulosen,
Hydroxyethylcellulose
Methylhydroxethylellulose
Mthylhydroxypropylcellulose
Xanthane,
Agar-Agar
Alginate,
Guar-Gum
Gummi Arabicum
Johannisbrotkernmehl
Pectin,
Tragant
oder deren MischungenSuitable stabilizers are, for example:
Starches or their derivatives
Networked strengths
dextrins,
pullulan,
carboxymethyl,
carboxymethyl,
Methylcelluloses,
ethylcelluloses,
hydroxymethyl celluloses,
hydroxyethyl
Methylhydroxethylellulose
Mthylhydroxypropylcellulose
xanthan gums,
Agar Agar
alginates,
Guar gum
Gum arabic
Locust bean gum
pectin,
tragacanth
or mixtures thereof

Der Stabilisierer kommt wahlweise in einer Menge bis 2 Gew% zur Anwendung, bezogen auf das Verfüllmaterial in der oben beschriebenen fließfähigen Form.Of the Stabilizer is optionally used in an amount of up to 2% by weight, based on the filling material in the flowable form described above.

Der Stabilisierer kann sowohl in der werksfertigen Trockenmischung enthalten sein als auch vor Ort in die bereits aufbereitete Suspension zugegeben werden.Of the Stabilizer can be included both in the factory-ready dry mix be added as well as locally in the already prepared suspension.

Zum Einbringen des Verfüllmaterials in den Zwischenraum zwischen Bohrlochwandung und Sonde stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die verschiedenen Verfahren knüpfen weitgehend an das jeweilige Bohrverfahren.To the Introduction of the filling material in the space between the borehole wall and the probe are different Procedure available. The different methods largely to the respective drilling method.

Besonders häufig findet beim Bohren eine Bohrlochspülung Anwendung. Bei der Bohrlochspülung handelt es sich um eine Suspension, die entsteht, weil Wasser vorzugsweise mit einer Zumengung von Bentonit durch das Bohrwerkzeug nach unten geführt wird, um das abgegrabene Erdreich nach oben zu spülen und das Bohrwerkzeug zu kühlen.Especially often When drilling a borehole rinsing application applies. When the borehole rinse acts it is a suspension that arises because water is preferable with a concentration of bentonite down through the drilling tool guided is to rinse the dug soil up and to cool the drilling tool.

Vorzugsweise wird das Verfüllmaterial durch die Sonde hindurch in das Bohrloch gepresst, so dass das Verfüllmaterial unten aus der Sonde austritt, im Ringraum aufsteigt und die im Bohrloch stehende Bohrspülung nach oben verdrängt. Die Menge an Verfüllmaterial, welches insgesamt von oben in die Sonde gegeben wird, ist so berechnet, dass sie dem Volumen des Sondenringraumes entspricht. Ist diese Menge in das Sondengestänge verbracht worden, wird ein Stopfen in die Sonde eingeführt. Anschließend wird dieser Stopfen von oben mit Bohrspülung beaufschlagt und wandert hierdurch zum Sondenfuß. Daß unterhalb des Stopfens befindliche Verfüllmaterial wird somit komplett aus der Sonde in den Ringraum verdrängt und der Sondenfuß wird durch den Stopfen abgedichtet.Preferably becomes the backfill material pressed through the probe into the well, so that the backfill material emerges from the bottom of the probe, rises in the annulus and the downhole standing drilling fluid displaced upwards. The amount of filling material, which is given from above into the probe is calculated that it corresponds to the volume of the probe annulus. Is this amount in the probe linkage has been spent, a plug is inserted into the probe. Subsequently, will this plug from above loaded with drilling fluid and migrates thereby to the probe foot. That below the stuffing material contained in the plug is thus completely displaced from the probe into the annulus and the probe foot becomes sealed by the plug.

Da die Dichte der Bohrspülung deutlich geringer ist als die des Verfüllmaterials, muß durch die Verpresspumpe solange Druck auf die Spülungssäule in der Sonde ausgeübt werden, bis das Verfüllmaterial im Ringraum erhärtet ist. Andernfalls kommt es zum Rückstrom des Verfüllmaterials in das Sondengestänge.There the density of the drilling fluid is significantly lower than that of the filling material, must by the grout pump is applied to the purge column in the probe as long as until the filling material hardens in the annulus is. Otherwise, it comes to the return current of the filling material in the probe linkage.

Claims (18)

Verfüllmaterial für Erdbohrungen mit einer Tiefe von mehr als 100 m vorzugsweise einer Tiefe von mehr als 1000 m und noch weiter bevorzugt einer Tiefe von mehr als 2000 m zur Ausfüllung des Ringraumes zwischen einer in das Bohrloch eingesetzten Erdwärmesonde und dem umgebenden Erdreich, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial folgende Zusammensetzung hat: 0,3 bis 25 Gew% eines quellfähigen Tonminerals, bezogen auf das Verfüllmaterial 10 bis 65 Gew% eines hydraulischen Bindemittels, bezogen auf das Verfüllmaterial 3 bis 30 Gew% eines pulver- oder granulatförmigen hochwärmeleitfähigen Zusatzstoffes, bezogen auf das Verfüllmaterial, 30 bis 60 Gew% Wasser, bezogen auf das Verfüllmaterial.Backfill material for depth of more than 100 m, preferably more than 1000 m deep, and more preferably depth of more than 2000 m, for filling the annulus between a borehole borehole and the surrounding soil, characterized in that the filling material has the following composition: 0.3 to 25% by weight of a swellable clay mineral, based on the filling material 10 to 65% by weight of a hydraulic binder, based on the filling material 3 to 30% by weight of a pulverulent or granular highly heat-conductive additive, based on the filling material Filling material, 30 to 60% by weight of water, based on the filling material. Verfüllmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Bindemittel aus Zementen, insbesondere Normzementen nach EN 197-1 und/oder aus Normzementen nach dem API Classificaation System besteht.backfill according to claim 1, characterized in that the hydraulic binder from cements, in particular standard cements according to EN 197-1 and / or from Standard cements according to the API Classificaation system exists. Verfüllmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement in Form von Portlandzement, Portlandhüttenzement, Portlandsilicastaubzement, Portlandpuzzolanzement, Portlandflugaschezement, Portlandschieferzement, Portlandkalksteinzement, Portlandkompositzement, Hochofenzement, Puzzolanzement, Kompositzement, API Class A-Zement, API Class B-Zement, API Class C-Zement, API Class G-Zement und/oder API Class H-Zement, zugesetzt wird.backfill according to claim 1 or 2, characterized in that the cement in the form of Portland cement, Portland slag cement, Portland silica dust cement, Portland pozzolana cement, Portland fly ash cement, Portland slate cement, Portland Limestone Cement, Portland Composite Cement, Blast Furnace Cement, Pozzolan cement, composite cement, API Class A cement, API Class B cement, API Class C Cement, API Class G Cement and / or API Class H Cement, is added. Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochwärmeleitfähiges Additiv in Form von pulver- oder granulatförmigem Graphit oder Blähgraphit oder Eisenoxid enthalten ist.backfill according to one of the claims 1 to 3, characterized in that a highly heat-conductive additive in the form of powder or granular Graphite or expanded graphite or iron oxide is contained. Verfüllmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit oder der Blähgraphit Korngrößen zwischen 0,001 mm und 1 mm aufweist.backfill according to claim 4, characterized in that the graphite or the Expanded graphite particle sizes between 0.001 mm and 1 mm. Verfüllmaterial nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit Korngrößen zwischen 0,001 mm und 0,5 mm aufweist.backfill according to claim 4 or 5, characterized in that the graphite Grain sizes between 0.001 mm and 0.5 mm. Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial in einer Menge bis zu 30 Gew%, bezogen auf die Gesamtmenge des Verfüllmaterials, aus Kalksteinmehl oder einem anderen inerten Füller besteht.backfill according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the backfill material in an amount until to 30% by weight, based on the total amount of filling material, of limestone meal or another inert filler consists. Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial in einer Menge bis 2 Gew% bezogen auf die Gesamtmenge des Verfüllmaterials aus einem Verzögerer besteht.backfill according to one of the claims 1 to 7, characterized in that the backfilling material in an amount until 2% by weight, based on the total amount of filling material, of a retarder. Verfüllmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verzögerer Zucker wie Glucose, Fructose oder Saccharose und Hydroxycarbonsäuren wie Weinsäure, Gluconsäure, Gluconsäurelacton, Heptonsäure, Zitronensäure, Gallussäure, Pyrogallol, Äpfelsäure, Tartronsäure, 2,4,6-Trihydroxybenzoesäure oder deren jeweilige Mono- und Dialkalisalze oder deren Hydrate vorgesehen sindbackfill according to claim 8, characterized in that as retarder sugar like glucose, fructose or sucrose and hydroxycarboxylic acids like Tartaric acid, gluconic, gluconolactone, heptonic, Citric acid, Gallic acid, pyrogallol, malic acid, tartronic acid, 2,4,6-trihydroxybenzoic acid or their respective mono- and Dialkalisalze or hydrates are provided Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial bis zu 2 Gew% bezogen auf die Gesamtmenge des Verfüllmaterials aus einem Verflüssiger besteht.backfill according to one of the claims 1 to 9, characterized in that the backfill material up to 2% by weight on the total amount of backfill material from a liquefier consists. Verfüllmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verflüssiger modifizierte oder unmodifizierte Lignin- und Naphthalinsulfonate; sulfonierte Naphthalinformaldehydkondensate; sulfonierte Melaminformaldehydkondensate; sulfonierte Phenolformaldehydkondensate; Acrylsäure/Acrylamid-Gemische; Polyacrylate; Polycarboxylatether oder deren Mischungen vorgesehen sind.backfill according to claim 10, characterized in that as a plasticizer modified or unmodified lignin and naphthalenesulfonates; sulfonated naphthalene-formaldehyde condensates; sulfonated melamine-formaldehyde condensates; sulfonated phenol-formaldehyde condensates; Acrylic acid / acrylamide mixtures; polyacrylates; Polycarboxylatether or mixtures thereof provided are. Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial in einer Menge bis zu 2 Gew% bezogen auf die Gesamtmenge des Verfüllmaterials aus einem Stabilisierer besteht.backfill according to one of the claims 1 to 11, characterized in that the backfill material in an amount to at 2% by weight, based on the total amount of backfill material from a stabilizer consists. Verfüllmaterial nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisierer Stärken oder deren Derivate; vernetzte Stärken; Dextrine; Pullulan; Carboxymethylstärken; Carboxymethylcellulosen; Methylcellulosen; Ethylcellulosen; Hydroxymethylcellulosen; Hydroxyethylcellulosen; Methylhydroxyethylcellulosen; Methylhydroxypropylcellulosen; Xanthane; Agar-Agar; Alginate; Guar-Gum; Gummi Arabicum; Johannisbrotkernmehl; Pectin; Tragant; oder deren Mischungen vorgesehen sind.backfill according to claim 12, characterized in that as a stabilizer Strengthen or their derivatives; networked strengths; dextrins; pullulan; carboxymethyl; carboxymethyl; Methylcelluloses; ethylcelluloses; hydroxymethylcelluloses; hydroxyethylcelluloses; methylhydroxyethylcelluloses; methylhydroxypropyl; xanthan gums; Agar Agar; alginates; Guar gum; Gum arabic; Locust bean gum; pectin; tragacanth; or mixtures thereof are provided. Verfüllmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Wärmedurchgangszahl von mindestens 1,5 vorzugsweise mindestens 1,75 und noch weiter bevorzugt mindestens 2 W/(m·K).backfill according to one of the claims 1 to 13, characterized by a heat transfer coefficient of at least 1.5 preferably at least 1.75 and even more preferably at least 2 W / (m · K). Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung des Verfüllmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens aus einigen trockenen Bestandteilen des Verfüllmaterials zunächst eine werksfertige Trockenmischung erstellt und dass die anderen Bestandteile an der Verarbeitungsstelle zugegeben und zu einer fließfähigen Mischung vermengt werden oder dass alle Bestandteile des Verfüllmaterials an der Verarbeitungsstselle für das Verfüllmaterial zu einer fließfähigen Mischung vermengt werden.Process for the production and processing of the filling material according to one of the claims 1 to 14, characterized in that at least some dry Components of the filling material first one factory-ready dry mix created and that the other ingredients added at the processing point and a flowable mixture be mixed or that all components of the filler material at the processing station for the backfill material to a flowable mixture be mixed. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllmaterial durch die in dem Bohrloch eingesetzte Sonde hindurch in den die Sonde umgebenden Ringraum gepresst wird.Method according to claim 15, characterized in that that the backfill material through the probe inserted into the well into which the probe passes surrounding annulus is pressed. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach Einbringen der für die Verfüllung notwendigen Verfüllmaterialmenge ein Stopfen in die Sonde eingesetzt wird und durch Nachverpressung mit Bohrspülung so mit Druck beaufschlagt wird, dass er bis zum Sondenfuß wandert und den Sondenfuß abdichtet.Method according to claim 16, characterized in that that after introducing the for the backfilling necessary backfill quantity a plug is inserted into the probe and by post-compression with drilling fluid is pressurized so that it migrates to the probe foot and seals the probe foot. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der nachverpressten Bohrspülung bis zur Verfestigung des Verfüllmaterials in dem Ringraum zwischen der Sonde und der Bohrlochwandung aufrecht erhalten wird.Method according to claim 16 or 17, characterized that the pressure of the re - pressed drilling fluid until solidification of the backfill in the annulus between the probe and the borehole wall upright is obtained.
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