DE19918775A1 - Durchlauf-Mischanlage - Google Patents

Durchlauf-Mischanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischanlage zum Herstellen einer Bohrflüssigkeit für Horizontalbohrverfahren mit einer Hochdruckpumpe und einer Zuleitung für das Zugabemedium, die in Flußrichtung vor der Hochdruckpumpe angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischanlage, wie sie zum Anmischen einer Bohr­ flüssigkeit für das Horizontalbohren eingesetzt wird.
Beim Horizontalbohren wird mit Hilfe von Bohr- oder Spülflüssigkeiten, die dem Bohrgerät zugeführt werden und beispielsweise im Bereich des Bohr­ kopfes austreten und damit in das Bohrloch geleitet werden, eine Verbesse­ rung und Erleichterung des Bohrvorgangs erreicht, indem das Erdreich auf­ geweicht und das Bohrklein abtransportiert wird.
In der Praxis hat sich die Verwendung einer Bentonit-Wasser-Suspension durchgesetzt, die je nach den gegebenen Bodenverhältnissen mit unter­ schiedlicher Konsistenz zum Einsatz kommt. Eine solche Suspension besitzt die Eigenschaft, das Bohrklein in Schwebe zu halten, um es aus dem Bohr­ loch transportieren zu können und besitzt zudem beim Einziehen eines neuen Rohrstrangs den Vorteil, daß dieser geschmiert und nach dem Ein­ ziehen nach einer gewissen Aushärtephase gegen das umgebende Erdreich geschützt wird. Zur Variation der Eigenschaften der Suspension ist es bekannt, Polymere sowie weitere Substanzen, wie beispielsweise Soda­ asche, zum Einstellen des pH-Wertes beizumischen.
Bekannte Mischanlagen arbeiten nach dem Prinzip, daß die gewünschte Menge Bohrflüssigkeit in einem Vorratstank angemischt wird, dessen Inhalt dann für den Bohrvorgang zur Verfügung steht. Solche Mischanlagen wer­ den als Chargenmischer bezeichnet, da je Mischvorgang eine Charge für das Bohren zur Verfügung gestellt werden kann.
Nachdem die Bohrflüssigkeit verbraucht ist, wird der Vorratstank durch An mischen einer neuen Charge aufgefüllt. Da dies in der Praxis zu stören­ den Zeitverzögerungen beim Bohren führt, ist es üblich, einen zweiten Vor­ ratstank bereitzustellen, so daß die Flüssigkeitschargen in einem Tank angesetzt werden können, während der andere Tank die Bohranlage ver­ sorgt. Der Nachteil solcher Systeme besteht in erhöhtem Platzbedarf und zusätzlichen Kosten. Ein weiterer Nachteil der bekannten Chargenmischer besteht darin, daß die erforderlichen Mischpumpen aufgrund der Aggressi­ vität eines abrasiven Mediums wie Bentonit eine besondere Haltbarkeit auf­ weisen müssen. Das führt entweder zu erhöhten Kosten oder zu erhöhtem Verschleiß.
Darüber hinaus läßt sich die erforderliche Menge Bohrsuspension in der Regel nicht genau abschätzen, so daß die Bohrflüssigkeit nach Beendigung des Bohrvorgangs häufig nicht vollständig aufgebraucht ist und entsorgt werden muß. Beläßt man die Bohrflüssigkeit im Tank, kann es zu einem Nachquellen der Bohrflüssigkeit kommen. Aufgrund der erhöhten Viskosität kann es beim Bohren zu Problemen bei erneutem Einsatz dieser Bohrflüs­ sigkeit kommen. In der Winterzeit sind zudem Frostschäden an den Geräten durch nicht vollständig aufgebrauchte Bohrflüssigkeit nicht ausgeschlossen.
Die Bohrflüssigkeit wird dem Bohrgerät in aller Regel durch eine Hochdruck­ pumpe zugeführt. Bei solchen Pumpen handelt es sich meist um nicht selbstansaugende Pumpen. Da die Bohrflüssigkeit allerdings nicht selten mit sehr hoher Viskosität verpumpt werden muß, ist der Einsatz einer selbstan­ saugenden Ladepumpe erforderlich, die die Hochdruckpumpe saugseitig beschickt. Der Einsatz einer solchen Ladepumpe führt ebenfalls zu einer erheblichen Kostensteigerung.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein vereinfachtes Be­ schicken einer Bohranlage mit einer Bohrflüssigkeit zu ermöglichen.
Das Problem wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.
Die Lösung des Problems basiert auf dem Prinzip, Zuschlagstoffe, wie bei­ spielsweise das pulverförmige Bentonit, vor oder hinter der Hochdruckpumpe einzuleiten.
Bei einer Einleitung vor der Hochdruckpumpe wird der Pumpe Brauchwasser über einen Hydranten zugeführt, wobei zwischen Hydrant und Hochdruck­ pumpe eine Einleitung für das Zugabemedium vorgesehen ist. Die Einleitung des Zugabemediums kann mechanisch unterstützt und über verschiedene Meßgrößen geregelt werden. Gleiches gilt für die Zugabe ergänzender Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Polymere oder Sodaasche.
Nach dem Einleiten des Zugabemediums gelangt dieses mit dem Brauch­ wasser in die Hochdruckpumpe, in der eine intensive Vermischung erfolgt. Zusätzlich kann hinter der Hochdruckpumpe eine Mischstrecke für ein weite­ res Vermischen vorgesehen sein. An die Mischstrecke kann sich eine Quell­ strecke anschließen, sofern eine bestimmte Quelldauer erwünscht ist.
Beim Einleiten des Zugabemediums in Flußrichtung hinter der Hochdruck­ pumpe wird dieses im Bereich des Hochdruckstrahls der Hochdruckpumpe eingeleitet, was zu einer intensiven Vermischung des Zugabemediums mit dem Brauchwasser führt. An die Einleitungsstrecke können sich ebenfalls zusätzliche Misch- sowie Quellstrecken anschließen.
Die erfindungsgemäße Mischanlage erlaubt ein kontinuierliches, d. h. "Online-Mischen" der Zuschlagstoffe für die Bohrflüssigkeit mit dem Brauch­ wasser. Dabei werden zusätzliche Vorratstanks vermieden, so daß die Mischanlage außerordentlich geringe Abmessungen aufweist und direkt an der Bohranlage einsetzbar ist. Aufgrund ihrer geringen Größe kann die Mischanlage als Bestandteile mobiler Bohrgeräte ausgebildet sein.
Ferner wird beim Bohren nur diejenige Flüssigkeitsmenge angesetzt, die unmittelbar verbraucht wird. Nach dem Bohren unverbrauchter Restmengen an Bohrflüssigkeit werden durch die erfindungsgemäße Mischanlage ver­ mieden.
Darüber hinaus wird ein minimaler Materialaufwand realisiert, da neben den Vorratstanks auch Misch-, Umwälz- oder Ladepumpen vermieden werden können. Dies ist auch bei nicht saugenden Hochdruckpumpen dadurch mög­ lich, daß die auf der Saugseite zugeleitete Flüssigkeit erfindungsgemäß eine niedrige Viskosität besitzt, da es sich entweder um reines Brauchwasser handelt (Einleitung hinter der Hochdruckpumpe) oder um Brauchwasser mit noch nicht gequollenem Bentonit (Einleitung vor der Hochdruckpumpe).
Ein weiterer Vorteil besteht in der vereinfachten Möglichkeit, wieder aufbe­ reitete Bohrflüssigkeit zu verwenden. Die großen Flüssigkeitsmengen, die beim Horizontalbohren häufig eingesetzt werden, haben dazu geführt, daß ein "Recycling" der Bohrflüssigkeit aus ökonomischen und ökologischen Gründen erforderlich ist. Mit der erfindungsgemäßen Mischanlage kann die wieder aufbereitete Bohrflüssigkeit bezüglich ihrer Viskosität durch ein vor­ gewähltes Verhältnis von zugegebenem Wasser zu zugeschlagenem Zuga­ bemedium für den neuen Bohrvorgang optimal eingestellt werden.
Die sich mit der Erfindung verwirklichende kompakte Bauweise erlaubt es, die Mischanlage mit mobilen Bohrgeräten beliebiger Größe zu verbinden, da eine hohe Variabilität bezüglich der möglichen Zuschlagmenge und Mischlei­ stung besteht. Die Mischanlage muß dann auf der Baustelle lediglich an einen Hydranten angeschlossen werden, wobei die gewünschte Menge Bohrflüssigkeit für den Bohrvorgang in jeder Konstellation zur Verfügung steht. Dabei kommt für die Mischanlage vorzugsweise der Einsatz eines Silos oder eines sogenannten "Big Bag" als Vorratsbehälter für die Zuschlagstoffe zum Einsatz. Die sonst üblichen Chargentanks, die bei grö­ ßeren Bohranlagen erhebliche Ausmaße annehmen, entfallen.
Konstruktionsbedingt besitzt die erfindungsgemäße Mischanlage einen geringeren Energieverbrauch und eine längere Lebensdauer als herkömmli­ che Geräte, nicht zuletzt durch den Wegfall der im Stande der Technik erfor­ derlichen Zusatzpumpen.
Mit einem automatisierten Mischvorgang, der sich mit der erfindungsgemä­ ßen Mischanlage verwirklichen läßt, ist ein vollautomatischer Ablauf des Bohrvorgangs in bezug auf die Bohrflüssigkeit möglich, der durch eine Automatisierung der Wiederaufbereitung ergänzt werden kann.
Beim Einsatz des Ausführungsbeispiels einer druckseitigen Zugabe des Zugabemediums muß lediglich das Brauchwasser der Hochdruckpumpe zugeführt werden. Dies kann entweder über einen Hydranten durch die Hochdruckpumpe selbst oder durch eine herkömmliche Wasserpumpe erfol­ gen. Die Hochdruckpumpe selbst braucht nicht resistent gegen abrasive Medien zu sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Mischanlage mit Zuleitung des Suspensi­ onsmediums in Flußrichtung vor der Hochdruckpumpe,
Fig. 2 die Mischanlage der Fig. 1 mit Zuleitungen für Zusatzstoffe,
Fig. 3 die Mischanlage der Fig. 1 mit Zuleitung für das Zugabemedium hinter der Hochdruckpumpe,
Fig. 4 die Mischanlage der Fig. 3 mit einer Zuleitung für Zusatzstoffe,
Fig. 5 die Mischanlage der Fig. 1 mit Pufferrohr und Niveauregulierung,
Fig. 6 die Mischanlage der Fig. 5 mit ergänzender Zuleitung für Zusatz­ stoffe.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Suspensionsme­ dium dem Brauchwasser vor der Hochdruckpumpe zugeleitet (Fig. 1, 2, 5, 6).
Der Mischanlage gemäß dieser Ausführungsform wird das Brauchwasser an der Niederdruckseite einer Hochdruckpumpe über einen Hydranten zuge­ führt. Niederdruckseitig besitzt die Mischanlage ferner ein Druckminderungs­ ventil 12, über das das Brauchwasser der Hochdruckpumpe 7 über ein Fil­ terelement 13 und ein Absperrventil 14 zugeführt wird. Mit Hilfe des Absperr­ ventils 14 läßt sich die Brauchwasserzufuhr zu- und abschalten sowie auf­ grund von Steuerbefehlen einer mit dem Ventil 14 verbundenen Steuerelek­ tronik 1 nach bestimmten Parametern regeln. Die Steuerelektronik 1 ist mit einem Sensor 8 verbunden, der die tatsächlich durchlaufende Wassermenge mißt, die durch die Fördermenge der Hochdruckpumpe 7 mit regelbarem Antrieb 24 bestimmt wird, welche von Hand (z. B. über ein Potentiometer) einstellbar oder automatisch regelbar ist.
Mit Hilfe der Stellglieder 4 lassen sich bestimmte Sollwerte vorgeben, um ein gewünschtes Mischverhältnis zu erreichen, wobei die einzelnen Stellgrößen durch die Steuerelektronik 1 ermittelt werden.
Die für das gewünschte Mischverhältnis erforderliche Menge an Zugabeme­ dium (Bentonit als Suspensionsmenge) wird über eine Fördereinrichtung 6, die mit einem sogenannten Big Bag 5 oder anderen Vorratsbehältern ver­ bunden ist, der den Bentonitvorrat enthält, zugeleitet, wobei die genaue Dosierung über einen Antrieb 3 der Fördereinrichtung 6, der mit der Steu­ erelektronik 1 über ein Stellglied 2 in Verbindung steht, erfolgt.
Über eine Zuleitung 21 gelangt dabei Bentonit in die Fördereinrichtung 6, die dieses in einer von der Geschwindigkeit des Antriebs 3 abhängigen Menge zur Hochdruckpumpe 7 fördert, wobei die Motordrehzahl des Antriebs über einen Sensor 20 an die Steuerelektronik 1 übermittelt wird. Mit Hilfe eines Soll-Istwert-Vergleichs gewährleistet die Steuerelektronik 1 über das Stell­ glied 2, daß die gewünschte Drehzahl des Antriebs 3 eingehalten wird. Das Suspensionsmedium gelangt hinter dem Absperrventil 14 auf der Nieder­ druckseite der Hochdruckpumpe 7 in das Brauchwasser und wird zusammen mit diesem von der Hochdruckpumpe 7 in eine Hochdruckmischstrecke 15 befördert, wobei bereits durch den Pumpvorgang der Hochdruckpumpe 7 eine intensive Vermischung erfolgt. Die Mischstrecke 15 besteht aus mehre­ ren in Reihe oder parallel betriebenen statischen oder dynamischen Mischern, wobei statische Mischer bevorzugt sind, da bei diesen nur die zu mischenden Komponenten bewegt werden. Das Vermischen wird durch Aufteilen, Umlenken und Wiederzusammenführen der Medien intensiviert. Dabei wird die kugelartige Struktur der Bentonitbestandteile durch die hohen im Mischer wirkenden Scherkräfte aufgebrochen. Dies führt zu einer Verrin­ gerung der Quellzeit, da die Oberfläche des Suspensionsmediums, an der sich die Wassermoleküle anlagern, vergrößert wird.
Im Anschluß an die Mischstrecke 15 ist eine Quellstrecke 16 vorgesehen, die je nach Ausführung eine mehr oder minder lange Quellzeit der Bohrsuspen­ sion ermöglicht. Die Quellstrecke 16 kann aus einem Zwischenbehälter oder einem Rohrwendel bestehen oder auch durch die Strecke des Bohrgestän­ ges 10 verwirklicht sein, über die die Suspension dem Bohrkopf 11 bzw. dem Aufweitwerkzeug 17 zugeleitet wird.
Die Bohrsuspension kann über die Zuleitungen 18, 19 mit weiteren Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Polymeren oder Sodaasche, versetzt werden, die ebenfalls unmittelbar vor der Hochdruckpumpe 7 eingeleitet werden.
Bei unzureichender oder nicht vorhandener Wasserversorgung kann das Brauchwasser auch über einen Vorratstank 9 zugeleitet werden.
Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsform gelangt das Suspensionsmedium in einem Pufferbehälter 23 in das Brauch­ wasser. Der Pufferbehälter besitzt einen Niveauschalter (a, b), der die Ben­ tonitzufuhr aus- und einschaltet, je nach dem, ob das Medium die obere Marke a über- oder die untere Marke b unterschreitet. Der Pufferbehälter 23 ist vorzugsweise als schmale senkrecht angeordnete Röhre ausgebildet, die ein Entmischen des Brauchwasser-Bohrsuspensionsgemischs vor dem Ein­ tritt in die Pumpe 7 verhindert. Der Pufferbehälter 23 verhindert ferner, daß der Hochdruckpumpe 7 unbeabsichtigt Luft zugeführt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung (siehe Fig. 3 und 4) wird das Suspensionsmedium auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 7 zugeführt. Das Suspensionsmedium gelangt dabei im Bereich der Wasser­ strahldüse 22 der Hochdruckpumpe in das Brauchwasser, wodurch eine intensive Vermischung erreicht wird. Über die Ausgestaltung der Wasser­ strahldüse 22 kann die Mischsituation beeinflußt werden. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Wasserstrahldüse je nach Durchflußmenge verstellbar, um jederzeit einen intensiven Wasserstrahl zu gewährleisten.

Claims (15)

1. Mischanlage zum Herstellen einer Bohrflüssigkeit für Horizontalbohrver­ fahren mit
  • - einer Hochdruckpumpe (7) und
  • - einer Zuleitung (21) für das Zugabemedium, die in Flußrichtung vor der Hochdruckpumpe (7) angeordnet ist.
2. Mischanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung für das Zugabemedium in Flußrichtung nicht vor, sondern hin­ ter der Hochdruckpumpe (7) angeordnet ist.
3. Mischanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugabemedium in einem Pufferbehälter (23), der vor der Hochdruck­ pumpe (7) angeordnet ist, in das Brauchwasser eingeleitet wird und der Pufferbehälter (23) eine Niveauregulierung (a, b) aufweist.
4. Mischanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugabemedium unmittelbar hinter einer Wasserstrahldüse (22) der Hochdruckpumpe (7) in das Brauchwasser eingeleitet wird.
5. Mischanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Was­ serstrahldüse (22) verstellbar ist.
6. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Fördereinrichtung (6) für die Zufuhr des Zugabe­ mediums.
7. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (6) und/oder die Hoch­ druckpumpe (7) einen regelbaren Antrieb (24) aufweist.
8. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein Absperrventil (14), welches zusammen mit den regelbaren Antrieben über eine Steuerelektronik (1) und mit Hilfe von Stellgliedern (4) und eines Durchflußsensors (8) geregelt wird.
9. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Mischstrecke (15) hinter der Pumpe (7).
10. Mischanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine statische Mischstrecke (15).
11. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine hinter der Pumpe (7) angeordnete Quellstrecke (16).
12. Mischanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellstrecke (16) aus einem Rohrwendel besteht.
13. Mischanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellstrecke (16) aus dem Bohrgestänge gebildet ist.
14. Mischanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Mischanlage hydraulisch erfolgt.
15. Verfahren zum Herstellen einer Bohrflüssigkeit, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zugabemedium dem Brauchwasser vor oder hinter einer Hochdruckpumpe (7) zugeleitet wird.
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