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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschließen von Leitungen bzw. Löchern aus denen ein fließfähiges Medium, insbesondere eine Flüssigkeit austritt, insbesondere das Verschließen von Bohrlöchern aus denen unkontrolliert Erdöl austritt.
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Aus
DE 10 2004 048 076 ist ein Quellelement bekannt, mit dem eine aus einem Tank führende und somit unter geringem bis keinem Druck stehende Dieselkraftstoffleitung verschlossen werden kann. Als Material des Quellelements wird dafür insbesondere ein Ethylen-Propylen-Terpolymer (EPDM) vorgeschlagen. Hinweise auf eine mechanische Fixierung des Quellelements sowie die Eignung für unter hohem Druck stehende Systeme sind der genannten Schrift nicht zu entnehmen. Außerdem befindet sich das quellbare Polymer im Inneren eines Rohres und kann Hohlräume, die sich außerhalb des Rohres befinden nicht schließen. Die hier beschriebene Technik ist zur nachträglichen Schließung von durch Flüssigkeit durchströmten Rohren nicht geeignet.
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In
DE-GM 82 35 582 wird eine Vorrichtung zum Verschließen von Bohrlöchern bei Unterwasserbohrungen offenbart, die mit Antriebspropeller und Antriebsturbine ausgestattet ist und zum Verschließen einen Gummibalg mit Druckluft beschreibt. Die Vorrichtung ist mechanisch aufwändig und damit anfällig. Zudem ist das Druckluftsystem nur eingeschränkt unter großen Umgebungsdrücken einsetzbar.
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Insbesondere unter extremen Bedingungen, wie beispielsweise unter der Wasseroberfläche in Tiefen unter 500 m, sind die bekannten Möglichkeiten zur Abdichtung von Bohrlöchern oder abgebrochenen Rohren nur bedingt verwendbar.
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Aufgabe der Erfindung war somit die Überwindung der Nachteile des Standes der Technik, insbesondere das verlässliche und auch unter schwierigen Bedingungen mögliche Verschließen von Leitungen oder Bohrlöchern.
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Es wurde nun gefunden, dass durch die Einbringung eines in dem austretenden fluiden Medium quellbaren Materials (z. B. Polymer, Kunststoff) in das flüssigkeitsführende Rohr und/oder Bohrloch, Sicherung des Materials gegen Herausdrücken durch die ausströmende Flüssigkeit und Quellung des Materials durch Aufnahme von Bestandteilen der ausströmende Flüssigkeit unter Ausbildung eines Pfropfens aus mit Flüssigkeit gequollenem Material die schadhafte Leitung oder das Bohrloch auf einfache Weise verschlossen werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung zum Abdichten (Verschließen) von Leitungen und/oder Löchern nach Patentanspruch 1 sowie den davon abhängigen Patentansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Abdichten von Leitungen und/oder Löchern nach Patentanspruch 8.
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In bevorzugten Ausführungsformen, wie sie z. B. in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden, werden die quellbaren Polymere mithilfe von einer oder mehreren mechanisch stabilen, vorzugsweise nicht quellbaren, Halterungen in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert, um eine einfache und kontrollierte Einführung in das abzudichtende Rohr zu ermöglichen. Eine Einheit aus Halterung und quellbarem Polymer wird im Folgenden auch Funktionselement genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei diesen Halterungen um Metallstangen und/oder Metallrohre. Bevorzugt werden 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr als 10 Funktionselemente für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet.
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Die Funktionselemente der Erfindung werden bevorzugt auf einer Seite stirnseitig mechanisch verbunden, z. B. auf einer geschlossenen oder gelochten Kopfplatte, wie sie z. B. als Element (1) in den 1 und 2 skizziert ist. Es ist jedoch auch möglich, die Elemente an anderer Stelle als genau am Ende (stirnseitig) zu verbinden. Weiterhin ist es auch möglich, die quellbaren Materialien ohne Halterung direkt an der Vorrichtung, z. B. einer zuvor genannten Kopfplatte, anzubringen.
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Die Halterungen für das quellbare Material, insbesondere die Metallstangen und/oder Metallrohre sind vorzugsweise oberflächlich strukturiert und/oder mit Vertiefungen, Bohrungen und/oder Haken versehen um einen ausreichenden Halt des quellbaren Materials, insbesondere im gequollenem Zustand zu gewährleisten.
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Die mit der Flüssigkeit in Kontakt kommenden quellbaren Materialien können bevorzugt ebenfalls oberflächlich strukturiert sein, damit nach der Quellung eine große Kontaktfläche und damit ein ausreichend stabiler Pfropfen gebildet wird.
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Die Menge an quellbarem Material wird so gewählt, dass direkt nach dem Einführen in das abzudichtende Loch (bzw. die abzudichtende Leitung) ein genügend großer freier Querschnitt verbleibt, um das Einführen ohne hohen Gegendruck zu ermöglichen. Die Menge und das Quellverhalten müssen jedoch ausreichen, um nach genügend langem Durchströmen der Flüssigkeit den gesamten freien Querschnitt vollständig zu verschließen. Diese Optimierungen sind für einen Fachmann auf dem Gebiet, z. B. unter Verwendung der unten angegebenen Testmethode, durch übliche Versuche durchführbar.
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Werden mehr als 1 Funktionselemente verwendet, wird deren Abstand so gewählt, dass bei Durchströmen der Flüssigkeit nach und nach der gesamte Zwischenraum durch Quellung der quellbaren Materialien ausgefüllt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verschlusselement wenigstens ein Rohr mit einem Ventil (im Folgenden auch Ventilrohr genannt), wobei das Rohr bevorzugt wenigstens teilweise mit dem quellbaren Material gemäß der Erfindung umgeben ist. In dieser Ausführungsform erfolgt das Einsetzen der Verschlussvorrichtung zunächst bei geöffnetem Ventil und ist aufgrund des noch nicht gequollenen Materials leicht möglich. Nach dem Fixieren der Vorrichtung und dem Quellen ist der freie Querschnitt zwischen der zu verschließenden Leitung bzw. dem Bohrloch und dem Ventilrohr vollständig abgedichtet und das fließfähige Medium fließt nur noch durch das frei durchgängige Ventilrohr. Nach Schließen des Ventils ist die Leitung bzw. das Bohrloch vollständig verschlossen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass jetzt ein Rohr an das Ventil angeflanscht werden kann und das fließfähige Medium, z. B. Rohöl, wieder gefördert werden kann, ohne eine neue Bohrung vornehmen zu müssen.
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Die äußere Form des Funktionselements bzw. der Funktionselemente der Erfindung wird entsprechend der Form des zu verschließenden Lochs angepasst und kann beliebig gewählt werden. Dadurch ist es auch leicht möglich, unregelmäßige Löcher zu verschließen. Als besonders vorteilhaft haben sich runde und regelmäßig sechseckige äußere Querschnitte sowie Kombinationen daraus des quellfähigen Materials erwiesen.
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Nach Einführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in die Leitung/das Loch wird die Vorrichtung mithilfe eines oder mehrerer mechanischer Mittel, die bevorzugt zumindest teilweise schon an der Vorrichtung montiert sind, am Einsatzort fixiert. An mechanischen Mitteln zur Befestigung am Einsatzort sind bekannte technische Lösungen geeignet, die der Fachmann auf dem Gebiet je nach Ausgangssituation auswählen kann.
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Bevorzugte Befestigungsmittel sind z. B. Gestänge oder Haken, wie sie in den 1 bis 4 als Elemente (2) skizziert sind, und die z. B., wie in den Fig. gezeigt, an einer Kopfplatte wie z. B. (1) angebracht sein können. Mit diesem Gestänge ist z. B. eine Befestigung in der Umgebung der zu verschließenden Leitung/dem zu verschließenden Rohr möglich, oder an der Leitung/dem Rohr selbst. Die Befestigung muss ausreichend dimensioniert sein, um dem Öldruck standzuhalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Befestigung der Verschlussvorrichtung am Boden, insbesondere am Meeresboden, in der unmittelbaren Nähe einer zu verschließenden Ölleitung bzw. eines zu verschließenden Bohrlochs, wobei am Boden bzw. Meeresboden zunächst geeignete Verankerungen installiert oder Betonklötze, z. B. die Elemente (7) aus 3, gegossen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Befestigung an einem im Bohrloch befindlichen ölführenden Rohr. Besonders bevorzugt können dazu in das Rohr Löcher gebohrt werden, durch die die Vorrichtung z. B. mithilfe von an der Metallplatte befindlichen Haken arretiert wird.
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Die Auswahl der quellbaren Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung hängt von dem aus der Leitung/dem Loch austretenden fließfähigen Medium ab.
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Für wässrige fließfähige Medien, z. B. auch Abwässer, eignen sich als quellbare Materialien insbesondere wasserlösliche Polymere, die durch Vernetzung unlöslich und quellbar werden. Bevorzugte Beispiele dafür sind vernetzte Polyacrylamide, Polyvinylpyrrolidone, Poly(meth-)acrylsäure, Polyvinylpyridine, Ethylen-Maleinsäure-Copolymere, Polyvinylalkohol, Cellulosederivate, Gelatine.
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Für ölige Flüssigkeiten, insbesondere für Kohlenwasserstoff basierte Flüssigkeiten wie Rohöl, Erdöl, Heizöl und Benzin, eignen sich als quellbare Materialien insbesondere öllösliche Polymere, die durch Vernetzung unlöslich werden aber quellbar bleiben. Bevorzugte Beispiele sind vernetzte Homo- oder Copolymere aus Ethylen, Propylen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 4-Methyl-penten-1, 1,3-Butadien, Isopren, Chloropren und Styrol, insbesondere Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Butylkautschuk (NR) und Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM), Siliconkautschuk
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Zur Auswahl der für die vorliegende Erfindung geeigneten quellbaren Materialien kann ein Material in einem geeigneten Gefäß am Boden fixiert und mit einem zu testenden fließfähigen Medium vollständig überschüttet werden. Bei allen Materialien, für die unter diesen Bedingungen eine Volumenzunahme zu beobachten ist, handelt es sich um quellbare Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung. Statt die Volumenzunahme direkt zu bestimmen, ist es jedoch einfacher und damit zweckmäßiger, die mit der Quellung einhergehende Massenzunahme zu bestimmen. Bevorzugt nimmt die Masse eines quellbaren Materials bei dem zuvor beschriebenen Test innerhalb von 5 Stunden um wenigstens 10 Gew.-%, insbesondere um wenigstens 20 Gew.-% und besonders bevorzugt um wenigstens 50 Gew.-% zu. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aufquellen langsam, um ein Einführen des quellbaren Materials in die Leitung/das Loch problemlos und ohne besonderen Zeitdruck durchführen zu können. In dieser Ausführung nimmt die Masse eines quellbaren Materials bei dem zuvor beschriebenen Test innerhalb von 15 Minuten, bevorzugt innerhalb von 30 Minuten und insbesondere innerhalb von 60 Minuten nur maximal halb so stark zu wie innerhalb von 5 Stunden (z. B. um maximal 5 Gew.-% innerhalb von 30 Minuten, wenn es innerhalb von 5 Stunden um 10 Gew.-% quillt).
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Besonders bevorzugt ist es, den zuvor beschriebenen Test für quellbare Materialien bei den Bedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, durchzuführen, die am beabsichtigten Einsatzort der Erfindung gelten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Einsatz der Verschlussvorrichtung unter Wasser, insbesondere am Meeresboden. Besonders ausgeprägt sind die genannten Vorteile der Erfindung bei einer Wassertiefe von wenigstens 10 Metern, insbesondere wenigstens 50 Metern und besonders bevorzugt von wenigstens 200 Metern.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Verschlussvorrichtung mit das quellbare Material zum Teil umschließenden Rohren (Hülsen)
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einer Metallplatte (1) mit dem ungefähren Durchmesser des zu verschließenden Rohres, an der in einem rechten Winkel Metallrohre (3) angebracht sind. In den Metallrohren befinden sich Kunststoffzylinder (4) aus einem in der ausströmenden Flüssigkeit quellbaren Polymer. An der Metallplatte befinden sich – als mechanische Mittel zum Fixieren der Vorrichtung am Einsatzort – Befestigungselemente (2), die es ermöglichen, die Vorrichtung nach Einführung in das Rohr zu arretieren.
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Beispiel 2
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Verschlussvorrichtung mit von dem quellbaren Material überzogenen Metallstangen
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Die in 2 gezeigte Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht wie die Vorrichtung aus Beispiel 1 aus einer mit Befestigungselementen (2) versehenen Metallplatte (1) mit dem ungefähren Durchmesser des zu verschließenden Rohres, mit dem Unterschied, dass in einem rechten Winkel Metallstangen (5) statt Rohre angebracht sind und die Metallstangen mit einem quellbaren Polymer (4) überzogen sind.
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Beispiel 3
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Verfahren zum Abdichten von Leitungen und/oder Löchern
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Eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Schließung eines Bohrlochs ist den 3 und 4 zu entnehmen. Zunächst wird, wie in 3 skizziert, die Vorrichtung aus Beispiel 2 gegen das austretende Öl (nicht skizziert) soweit in das Bohrloch (6) eingeführt, dass sich die aus dem quellbaren Kunststoff bestehenden Teile in dem Bohrloch befinden. Das Öl kann in diesem Stadium noch durch die Zwischenräume ausfließen. Danach wird die Vorrichtung mithilfe der Befestigungsvorrichtung (2) an am Meeresgrund vorher gegossenen Betonklötzen (7) befestigt. Die Arretierung ist ausreichend dimensioniert, um dem Öldruck standzuhalten.
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Nach Kontakt der Funktionselemente (im vorliegenden Fall mit quellbarem Polymer überzogene Metallstangen) mit dem ausfließenden Öl beginnt die Quellung des Kunststoffs. Der offene Zwischenraum zwischen den Funktionselementen verkleinert sich und es kommt schließlich zum vollständigen Verschluss des Bohrlochs durch gequollenen Kunststoff (4).
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Beispiel 4
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Verschlussvorrichtung mit einem Ventilrohr, das zum Teil mit quellbarem Material ummantelt ist
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Die in 5 gezeigte Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einer Metallplatte (1) mit dem ungefähren Durchmesser des zu verschließenden Rohres, durch die in einem rechten Winkel ein Ventilrohr (8) durchgeführt ist. Die Verbindung zwischen Metallplatte und Ventilrohr ist flüssigkeitsdicht und druckfest ausgeführt. Das Ventilrohr selbst ist frei durchgängig bis zu dem in der 5 skizzierten Ventil, das geöffnet und geschlossen werden kann. Unterhalb der Kopfplatte ist das Ventilrohr mit einem in der ausströmenden Flüssigkeit quellbaren Polymer ummantelt (4). An der Metallplatte befinden sich – als mechanische Mittel zum Fixieren der Vorrichtung am Einsatzort – Befestigungselemente (2), die es ermöglichen, die Vorrichtung nach Einführung in das Ölrohr zu arretieren.
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Beispiel 5
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Verfahren zum Abdichten von Leitungen und/oder Löchern mit Ventilrohr
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Eine weitere mögliche Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Schließung eines Bohrlochs ist den 5 und 6 zu entnehmen. Zunächst wird, wie in 5 skizziert, die Vorrichtung aus Beispiel 4 gegen das austretende Öl (nicht skizziert) soweit in das Bohrloch (6) eingeführt, dass sich der aus dem quellbaren Kunststoff bestehende Teil (4) weitestgehend in dem Bohrloch befindet. Das Öl kann in diesem Stadium noch durch die Zwischenräume und das zu diesem Zeitpunkt geöffnete Ventil des Ventilrohres ausfließen. Danach wird die Vorrichtung mithilfe der Befestigungsvorrichtung (2) an am Meeresgrund vorher gegossenen Betonklötzen (7) befestigt. Die Arretierung ist ausreichend dimensioniert, um dem Öldruck standzuhalten.
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Nach Kontakt des Funktionselementes (im vorliegenden Fall das mit quellbarem Polymer überzogene Ventilrohr) mit dem ausfließenden Öl beginnt die Quellung des Kunststoffs. Der offene Zwischenraum zwischen dem Funktionselement und dem Bohrloch (6) verkleinert sich und es kommt schließlich zum vollständigen Verschluss des Bohrlochs durch gequollenen Kunststoff (6).
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Anschließend wird das Ventil des Ventilrohres geschlossen, sodass kein Öl mehr austritt. Danach kann ein Rohr an das Ventilrohr angeflanscht werden (nicht skizziert) und darüber das Öl kontrolliert abgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004048076 [0002]
- DE 8235582 U [0003]
