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Diese
Erfindung betrifft Fluide auf Polymerbasis zur Verwendung bei Bohr-,
Grabungs- und Ausschachtarbeiten in der Grund- und Tiefbauindustrie,
im Tunnelbau, bei Tiefbohrungen und anderen Anwendungen von Fluiden
zur Stabilisierung des Erdbodens.
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Bei
der Herstellung von Fundamenten und Aussteifungen für Gebäude, Brücken und
andere Strukturen, und beim Graben und bei Tiefbohrungen zum Aufstellen
von Geräten,
Sicherungswänden,
Transitwegen und Abflusssystemen werden während der Grabungsarbeiten
Fluide zur Stabilisierung des umgebenden Erdreichs eingesetzt. Immer
wenn ein Grundbau oder eine Grabung in körnigen, instabilen, wassergesättigten oder
gasführenden
Erdformationen durchgeführt
werden muss, war das Füllen
der Bohrlöcher,
Tunnelflächen oder
Grabungen während
des Grabungs- oder Bohrverfahrens mit wasserbasierten Erdboden-Stabilisierungsfluiden,
die auch als Aufschlämmungen
oder Schlämme
bezeichnet werden, gebräuchlich.
Diese Fluide bestehen im Wesentlichen aus Wasser, einem Verdickungs-
und/oder Filterkuchen-Aufbaumittel, und den Erdfeststoffen der Grabung.
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Die
zur Herstellung dieser Fluide gebräuchlichen Materialien sind
Tone, wie Bentonit oder Attapulgit. In neuerer Zeit wurden wasserlösliche Polymere
eingeführt
und anstelle von oder in Kombination mit solchen Tonen verwendet.
(In diesem Dokument bezieht sich "wasserlöslich", "löslich", "gelöst" und ähnliche
Begriffe, die das "Lösen" von Polymeren beschreiben,
auf Polymere, die entweder echte Lösungen oder kolloidale Dispersionen
bilden. Bezüglich
der Polymeren wenden wir die Begriffe Wasserlöslichkeit und Wasserdispergierbarkeit
im kolloidalen Bereich austauschbar an.) Ein bei diesen Anwendungen
breit eingesetzter Typ von wasserlöslichen Polymeren ist ein teilweise
hydrolysiertes Polyacrylamid (PHPA) in Form eines überwiegend
linearen oder nicht vernetzten langkettigen Polymeren mit einer
anionischen Ladungsdichte von 20 bis 30 Molgewichten. Dieser Polymer-Typ
steht in flüssiger
Form als Wasser-in-Öl-Emulsion
und in trockener Form zur Verfügung.
Weitere Polymere umfassen Guargummi, Xanthangummi, cellulosische
Polymere, Stärke
und Mischungen hiervon. Alle diese Polymere, einschließlich der
PHPA's, werden hergestellt
und kommen bei Möglichkeiten
zum Einsatz, wobei beim Mischen mit Wasser eine vollständige Lösung oder
eine kolloidale Dispersion der Polymeren unter Herstellung von Erdboden-Stabilisierungsfluiden
erreicht werden soll.
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Mit
Fluiden auf Acrylpolymer-Basis, die keinen Bentonit oder keine anderen
Filterkuchenbildenden anorganischen Kolloide enthalten, war eine
Fluidverlustkontrolle bisher nicht erreichbar oder schlecht verwirklicht.
Die gelösten
oder kolloidal dispergierten, wasserlöslichen Polymere konnten, wenn
sie gemäß der herkömmlichen
Praxis ausgewählt
und eingesetzt wurden, im Gegensatz zu Bentonit und anorganischen
Kolloiden die Poren im körnigen
Boden nicht verschließen
oder einen Filterkuchen bilden. Eine angemessene Kontrolle des Fluidverlustes
war bisher ohne Zusatz von mineralischen Kolloiden oder fein zerteilten
Materialien, wie nativen Tonen und Silt, die mit dem Aushub in die
Aufschlämmung
eingebracht werden, nicht möglich.
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Bei
den bisherigen Grabungsversuchen unter Verwendung von Systemen auf
der Basis von Acrylpolymeren bestand nur wenig Korrelation oder
Zusammenhang zwischen der Viskosität oder der Polymerkonzentration
des Fluides und den Eigenheiten oder Stabilisierungsanforderungen
der Boden- oder Erdformation, die ausgegraben wird, oder den Anforderungen
an die Bodenhaftung von Beton für
die Reibungsübertragung. Ohne
Rücksicht
auf die Natur der Formation, die ausgegraben wird, wurden praktisch
der gleiche Viskositätsbereich
und die gleiche Polymerkonzentration verwendet. Dies zeigt ein mangelndes
Verständnis
der Eigenschaften und der unter Verwendung der Polymeren erreichbaren
Leistung.
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Bei
den Polymer-Aufschlämmungen
existiert nichts dem Bentonit-Filterkuchen entsprechendes. D.h. sozusagen,
dass bisher kein dem Bentonit-Filterkuchen äquivalentes wirksames Mittel
oder Medium zur Übertragung
des hydrostatischen Druckes auf das umgebende Erdreich oder zur
Kontrolle des Verlustes der Aufschlämmung an das durchlässige Erdreich
vorhanden ist. Die Polymer-Aufschlämmungen
werden mit begrenztem Erfolg eingesetzt und stellen eine Leistung
bereit, die zwischen einfachem Wasser und einer Bentonit-Aufschlämmung liegt.
Das fehlende Druckdifferential (oder der fehlende Druckabfall) über ein
relativ dünnes
Medium an der Aushub/Erdreich-Grenzfläche verhindert die wirksame Übertragung
des hydrostatischen Druckes auf die Wände der Grabung. Statt diesen
Druck zum Stützen
der Grabungswände
heranzuziehen, was eine Stützwand
ergibt, diffundiert der Druck durch das in der Nähe der Grabung liegende Porensystem des
Erdreiches und führt
zu einem mangelnden Rückhalt
des Erdreiches. Hohe Fluidverlustraten führen zu großen Volumina der Aufschlämmung, die
den Boden radial oder lateral um die Grabung sättigen. Diese Sättigung
des Bodens durch Fluid, welches fast perfekt mit dem Fluid in der
Grabung kommuniziert, erzeugt um die Grabung eine Zone von praktisch
gleichem Druck.
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Diese
Drucknivellierung und das damit zusammenhängende Unvermögen der
Aufschlämmung,
eine Richtungskraft gegen den Erdboden auszuüben, kann zum Einsturz der
Grabung führen.
In trockenen oder nicht wassergesättigten körnigen oder durchlässigen Böden erhöht der Gleiteffekt
auf Grund der Sättigung
des Erdreiches um die Grabung mit eindringender Aufschlämmung ebenfalls
die Wahrscheinlichkeit eines Einsturzes. Diese Probleme der übermäßigen Permeation
durch niederviskoses Polymerfluid sind bei Verwendung von Emulsionspolymeren
zur Herstellung des Fluides aufgrund der Öl- und Wasser benetzenden oberflächenaktiven
Mitteln in den Emulsionen besonders gravierend. Das tiefe Durchdringen
eines trockenen Sandes mit polymerem Fluid, das emulgierte Öl- und Wasser
benetzende oberflächenaktive
Mittel enthält,
kann die Destabilisierung des Erdreiches durch vollständiges Benetzen
der Korn-zu-Korn-Kontaktpunkte und durch Schmieren der Boden-Körner verschlimmern,
so dass jede geringfügige
natürliche
Kohäsion
unterbunden wird und das Erdreich einstürzt. Somit sind das Fehlen
eines Mittels zur Übertragung
von hydrostatischem Druck und die damit zusammenhängende mangelnde
Kontrolle des Fluidverlustes an das Erdreich schwerwiegende Nachteile
des Aufschlämmungs-Grabungsverfahrens
und stellen eine Hauptschwäche
der Polymer-Aufschlämmungstechnologie,
wie sie bisher praktiziert wird, dar.
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Bei
Verwendung von Systemen auf Polymerbasis wurde die Fluidverlustkontrolle
durch Zufügen
von Bentonit, Silt und/oder anderen verfügbaren Feinstoffen oder Kolloiden
zu dem Fluid oder durch Bohren von nativem Silt und Ton bei einem
Versuch, einen mineralisch angereicherten Filterkuchen an der Grabungsfront zu
bilden, erreicht. Bei Verwendung einer auf Mineralien basierenden
oder mit Mineralien angereicherten Aufschlämmung in feinkörnigen Sandarten
können
die dispergierten mineralischen Kolloide in der Aufschlämmung eine
verbesserte Fluidverlustkontrolle bereitstellen, da die Poren im
Erdreich klein sind. Allerdings vermindern die auf Mineralien basierenden
und mit Mineralien angereicherten Aufschlämmungen aufgrund der dicken
Filterkuchen, die sie erzeugen, die gemessene Tiefe des Bohrlochs
oder der Grabung. Diese verminderte Tiefe kann den Umfang oder die
Dicke von in den Grabungen und Bohrlöchern errichteten geformten oder
gegossenen Strukturen vermindern. Ebenso können auf Mineralien basierende
und mit Mineralien angereicherte Filterkuchen die Geometrie der
geformten oder gegossenen Strukturen zum Nachteil beeinflussen. Zusätzlich können die
auf Mineralien basierenden oder mit Mineralien angereicherten Filterkuchen
als Umhüllung
aus kontinuierlich reaktiven und hydratisierbaren Kolloiden an der
Grenzfläche
zwischen Beton und umgebendem Erdreich die Oberflächenreibung
oder die Umfangsscherkraft vermindern, auf denen die Tragfähigkeit
geformter oder gegossener Strukturen beruht. Die verminderte Reibung
kann die Instabilität,
Bewegung und Belastung auf diesen Strukturen fördern, was die Tiefenstruktur
und die Struktur des auf ihr ruhenden Überbaus beschädigen kann.
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Historisch
betrachtet waren Polymere zum Mischen ohne Bildung von Massen oder
Perlen von ungelöstem,
unvollständig
dispergiertem oder halb hydratisiertem Polymeren ausgelegt und gedacht.
Es war üblich, diese
Materialien vor Einbringen des Fluides in die Grabung oder das Bohrloch
zu hydratisieren und die Löslichkeit,
Homogenisierung und kolloidale Dispersion zu maximieren. Dies wurde
unter Verwendung von Ansaugsystemen, Rückführung, Rühren und Verarbeiten des Polymeren
und Aufbewahren des hergestellten Fluides in einem Lagertank eine
Zeit lang vor Einbringen des Fluides in die Grabung oder das Bohrloch
erreicht.
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Tonaufschlämmungen
oder -schlämme
sind mit 5 bis 10 % Bentonit in Süßwasser oder 5 bis 10 % Attapulgit
in Salzwasser formuliert. Ohne Rücksicht
darauf, ob die Aufschlämmungen
mit Tonen oder Polymeren formuliert werden, besteht das Ziel in
der Herstellung eines viskosen und/oder dichten (hohes spezifisches
Gewicht) Fluides, das die Wände
der Grabung stabilisiert und stützt,
Grundwasser und Gase aus der Grabung ausschließt und den Fortschritt des
Bauprojektes erleichtert. Ein Schlüssel zum Erfolg bei diesen
Bemühungen ist
die Vermeidung von Verlust oder Versickerung des Grabungsfluides
in das umgebende Erdreich während des
Grabungsvorgangs. Falls das Fluid in der Erdformation verloren geht
und die Grabung nicht mit Fluid gefüllt gehalten werden kann, kann
die Grabung einstürzen,
und Grundwasser oder Gase können
in die Grabung eindringen. Ein übermäßiger Fluidverlust
kann ferner die natürlich
auftretenden Kohäsionskräfte zwischen
den Formationsfeststoffen trennen.
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Die
Viskosität
der Erdboden-Stabilisierungsaufschlämmungen auf Polymerbasis wurde
rechnerisch im allgemeinen in einem Bereich von 30 bis 45 sec pro
Quart gehalten, wie gemessen mit einem Marsh-Trichter durch die
Standard-Viskositätsmessverfahren
des American Petroleum Institute. Dieser Bereich der Viskositäten wurde
im Lichte des bisherigen "industriellen
und technischen Kenntnisstandes" als
am wirksamsten und am wenigsten schädigend angesehen. Baufirmen
und Ingenieure haben Bedenken darüber geäußert, dass Polymer- Aufschlämmungen,
insbesondere hochviskose Polymer-Aufschlämmungen, die Haftung von Beton an
Erdboden beeinträchtigen
und somit die Reibungstragfähigkeit
von Strukturen, wie Großpfählen, verschlechtern
würde.
Sie haben auch darüber
ihre Bedenken ausgedrückt,
dass höhere
Polymer-Konzentrationen die Haftung von Beton auf Betonrippenstahl
und die Beton-Druckfestigkeitsentwicklung
beeinträchtigen könnten.
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Diese
Bedenken zusammen mit der Erkenntnis, dass die Kosten der Polymerfluide,
bezogen auf ein Einheitsvolumen, mit den Kosten von Bentonit-Aufschlämmungen
vergleichbar sein müssen,
und die mangelnde Kenntnis der Fluidverlustkontrolle und Erdbodenstabilisierungsleistung,
die mit hochviskosen Polymerfluiden erhältlich ist, hat dazu geführt, dass
die Polymerfluid-Viskosität
und die Dosierungsempfehlungen in niedrigen Bereichen gehalten werden.
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Die
Kohäsion
von körnigen
Erdfeststoffen, die vor Ort durch eine Aufschlämmungs-Grabung exponiert oder
auf oder in Grabwerkzeuge geladen werden, wird, abgesehen von der
inhärenten
Kohäsion
des Erdbodens, durch das Erdbindevermögen der Aufschlämmung und
das Aufrechterhalten von Porenwasserdruck und Zwischenkorn-Spannungen
bestimmt. Das Erdbindevemögen
ist die Affinität
der Zusammensetzung gegenüber
Erdfeststoffen, was dazu führt,
dass das Erdboden-Stabilisierungsfluid chemisch und physikalisch
an exponierter und ausgehobener Erde bindet oder haftet, sowohl
auf dem Grabwerkzeug als auch an und innerhalb der Grabungswände. Diese
Eigenschaft bewahrt oder verbessert auch das Bestreben der Erdkörnchen,
in Masse zusammenzuhalten statt sich in einzelne Körner oder
kleinere Massen zu trennen (Kohäsionsverbesserung).
Diese Kohäsionsverbesserung
unterstützt
das Beladen der Grabwerkzeuge und den Abtransport der Erdfeststoffe
aus der Grabung. Wenn ein Erdboden-Stabilisierungsfluid mit hoher Erdbindungsfähigkeit
körniges
oder durchlässiges
Erdreich durchdringt, kann es die Kohäsion des Erdreiches bewahren
oder verbessern, was zur Stabilisierung der Grabung beiträgt. Die
Erdbindungsfähigkeit
manifestiert sich auch als Fähigkeit
des Erdboden-Stabilisierungsfluides, tonhaltige mineralische Feststoffe
zu überziehen
oder einzukapseln und dadurch ihr Bestreben zur Adsorption, Absorption
oder Aufnahme von Wasser zu vermindern.
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Bei
Verwendung der herkömmlichen
flüssigen
PHPA-Emulsion als Hauptzusatzstoff der Aufschlämmung wurde die PHPA-Emulsion
dem Bohrloch oder der Grabung gegebenenfalls direkt zugesetzt, und
die Bohr- oder Grabwerkzeuge wurden verwendet, um sie mit Wasser
und/oder Fluid in dem Bohrloch zu vermischen. Allerdings ist dies
nicht das industriell bevorzugte Verfahren zur PHPA-Emulsions-Zugabe,
da es Agglomerate nicht disperser wertloser Polymere erzeugen kann.
Es wurde beschrieben, dass diese Agglomerate Hohlräume im Beton
hervorrufen, da sie sich mit dem Beton während des Platzierens vermischen
und sich dann langsam unter Zurücklassen
von Löchern
oder Wabenstrukturen zersetzen. Typischerweise und vorzugsweise
wird eine Abführeinheit
oder ein Inline-Mischer,
manchmal in Verbindung mit einem Hydratationstank mit Rücklaufpumpen,
zur Gewährleistung
einer vollständigen
Solubilisierung oder Dispersion des Polymeren vor Einbringen in
die Grabung oder das Bohrloch verwendet.
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Das
Ermöglichen
des schnellen Mischens und Erhaltens des Polymeren direkt in dem
Bohrloch oder in der Grabung ist vorteilhaft, da es das Erfordernis
einer kostspieligen, aufwendigen Misch- und Verarbeitungsanlage
beseitigt. Sie kann die zum Bohren, Ausschachten und Bauen von Pfählen, Mauern,
Plattformen, Brunnen etc. benötigte
Zeit wesentlich verkürzen.
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Immer
wenn ein Polymeres verwendet wurde, bestand eine Hauptaufgabe beim
Einmischen des Polymeren in Wasser oder in Erdboden-Grabungsfluid
darin, eine homogene Lösung
oder ein homogenes Gemisch zu erzeugen und schnellstmöglich eine
vollständige
Dispersion oder Auflösung
des Polymeren zu erreichen. Das vollständige Lösen und Homogenisieren des
Polymeren in dem Wasser oder Fluid wurde als Schlüssel für eine optimale
Leistung angesehen. Ein unvollständig
homogenisiertes Polymeres jeder Art, ob in Form von Agglomeraten,
Polymerfäden, "Fischaugen", Gelen, Mikrogelen,
Perlen oder Massen, wurde als nachteilig und abfallintensiv angesehen.
Die Vermeidung des Vorliegens von unvollständig hydratisiertem Polymerem
in der Aufschlämmung
war eine Hauptaufgabe bei der Planung des Fluides und in der Mischpraxis.
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Bei
relativ niedrigen Polymerdosen und/oder Viskositäten, die bisher in Acrylpolymer-Aufschlämmungen
verwendet worden sind, kann eine Polymer-Verarmung auftreten, wenn
silt- oder tonhaltige Böden
ausgehoben werden. Die vom Grabwerkzeug aufgewirbelten Erdfeststoffe
werden mechanisch in der Aufschlämmung
dispergiert. Die so exponierte erhöhte Feststoffoberfläche führt zu einem
erhöhten
Polymerbedarf, da die reaktiven Stellen auf den Feststoffteilchen
die entgegengesetzt geladenen Stellen auf dem Polymeren anziehen
und an sie binden. Diese ionische Bindung des Polymeren an die dispersen
Feststoffe reichert die Konzentration an gelöstem oder kolloidalem Polymeren
in dem System ab, so dass die Eigenschaften des Systems zunehmend
von dem Erdfeststoffgehalt und weniger von den Lösungseigenschaften des Polymeren
bestimmt werden. In einem Polymer-abgereicherten, Feststoff-beladenen
System können
Marsh-Trichter(„Funnel")-Viskositätswerte
durch die Hydratation und Dispersion von nativen Tonen in vernünftigen
Bereichen gehalten werden, deren Hydratation und Dispersion in einem
hochkonzentrierten Polymersystem nicht möglich wäre. Diese auf Feststoffen basierende
Viskosität
kann ein falsches Gefühl
von Sicherheit verleihen, da die Viskosität des Systems in den erwarteten
Bereichen Liegt, allerdings nicht genügend Polymeres zur Stabilisierung
der Grabung verfügbar
ist.
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Die
Abreicherung des Polymeren in dem System gestattet die weitere Hydratation
der Wände
der Grabung mit der zusammenhängenden
Destabilisierung. Bei der geringen verbleibenden Polymerkonzentration wirkt
das Polymere als Flockungsmittel statt als Viskositätsmittel
und Stabilisator/Schutzüberzugsmittel.
In dem Flockungssystem setzen sich die Flocken der feinen Feststoffe
am Boden der Grabung ab und können eine
weiche Masse von nicht-kohäsivem
Material bilden, dessen Entfernung mit Grabwerkzeugen schwierig ist.
Dieses weiche Material kann, wenn es nicht entfernt wird, Hohlräume in dem
gebildeten Beton verursa chen und kann sich auf die Integrität und Tragfähigkeit
der in den Grabungen geformten Ortbetonstrukturen nachteilig auswirken.
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Die
Erfindung betrifft Fluide zur Stabilisierung des Erdbodens wie in
den Ansprüchen
1 und 40 definiert, und ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung
eines Fluids zur Stabilisierung des Erdbodens wie in Anspruch 22
definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft
sie ein Fluid auf der Basis von Vinylpolymer(en), insbesondere denjenigen
auf der Basis der Acrylchemie, bestehend aus wasserlöslichem,
wasserquellbarem, hydratisierbarem und/oder wasserdispergierbarem
Material (Materialien), und ein Verfahren zur Verwendung bestimmter
wasserlöslicher
Polymere, Polyelektrolyte und Puffer zur Herstellung und Aufrechterhaltung
von Erdboden-Stabilisierungsfluiden, die funktionell wirksamer sind
als die bisher bekannten Fluide. Die Verwendung von natürlichen
Polymeren liegt ebenfalls im Umfang der Erfindung.
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Die
Erdboden-Stabilisierungsfluide sind funktionell wirksamer, da in
ihnen eine höhere
Polymer-Konzentration und/oder eine erhöhte ionische Affinität und/oder
höhere
Viskositäten
eingesetzt wird, oder da sie eine Vielzahl von teilweise gelösten oder
hydratisierten oder dispergierbaren Massen von synthetischen, natürlichen
oder modifizierten natürlichen
Polymeren; synthetischen und natürlichen
Harzen und Latizes; sowie Pfropfpolymere und Blends der obigen Materialien
mit oder ohne oberflächenaktiven
Mitteln oder Hydratationshemmern enthalten. Die Stabilisierungsfluide
für den
Erdboden werden ohne Zusatz von handelsüblichen mineralischen Kolloiden
hergestellt und aufrechterhalten, und zeigen eine Fluidverlustkontrolle
und vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften:
Bohrloch- oder Grabungswand-Stabilisierung, Erdfeststoff-Einkapselung,
verbesserte Handhabung und Trennung von in den Fluiden dispergierten
Erdfeststoffen, verbesserte Kohäsion
des Erdaushubs und verbesserte Entwicklung von Umfangsbelastungsübertragung
an den Beton-Erdboden-Grenzflächen
in unterirdischen, in den Grabungen geformten Strukturen. Es sollte
selbstverständlich
sein, dass für
die Zwecke dieser Anmeldung die Begriffe "Umfangsbelastungsübertra gung", "Umfangsscherkraft" und "Oberflächenreibung" austauschbar verwendet
werden.
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Die
Erdboden-Stabilisierungsfluide bestimmter Ausführungsformen der Erfindung
werden unter Verwendung von viskosen Lösungen von Polymeren in Konzentrationen
formuliert und angewandt, die ausreichend sind zur Bereitstellung
eines Mittels zur Erzeugung einer Zone in körnigen oder durchlässigen Böden, die
sich unmittelbar an eine Grabung anschließt und sie umgibt und die von
geliertem oder hochviskosem relativ immobilen Polymerfluid durchdrungen
ist. Diese durchdrungene Zone von verminderter hydraulischer Leitfähigkeit
an der Grenzfläche
zwischen Erdreich/Grabung – hier
als Druckübertragungszone
bezeichnet – dient
als Medium zur wirksamen Übertragung
des hydrostatischen Druckes von einer Fluidsäule in der Grabung auf die
Wände der
Grabung und stützt
so die Wände
während
des Grabungsvorganges. Das begrenzte Durchdringen oder Eindringen
des unmittelbar an die Grabung angrenzenden Erdreichs durch das
viskose Fluid erzeugt die Druckübertragungszone.
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Diese
Polymer-Druckübertragungszone
wirkt in der Tat als druckverstärkte
strukturelle Stabilisierung für
körnige
oder durchlässige
Böden,
die in Abwesenheit eines wirksamen Erdboden-Stützmediums zum Zerfallen und
Einbrechen in die Grabung neigen würden. Diese Effekte der Erdbodenverfestigung
und der Bildung eines wirksamen Druckübertragungsmediums werden erreicht
durch Herstellen der Erdboden-Stabilisierungsfluide mit ausreichender
Konzentration ausgewählter
ionisch geladener Polymeren unter Herstellung viskoser Fluide mit
hoch wirksamer Viskosität
oder hohem Fließwiderstand
bei den geringen Schergefällen,
die typischerweise an der Grabungs/Erdbodenporensystem-Grenzfläche in geologischen
Konstruktionen oder bei Bohrlochbohrungen, die im Erdreich durchgeführt werden,
angetroffen werden. Wir haben gefunden, dass die Marsh-Trichter-Viskositätsmessung
einen guten Indikator darstellt für die Viskositätserfordernisse
der Druckübernagungszonenformation
und der Herstellung eines wirksamen Druckübertragungsmediums zur Bereitstellung
einer Richtungsstabilisierung für die
Wände der
Grabung. Wie im Falle eines Bentonit-Filterkuchens dient die Polymer-Druckübertragungszone
der wichtigen Funktion der Fluidverlustkontrolle, d.h. des Verlustes
des Erdboden-Stabilisierungsfluides aus der Grabung an den Boden.
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Die
verbesserte Kohäsion
von körnigen
oder durchlässigen
Erdböden
(z.B. Sand), wenn sie von einer Aufschlämmung auf Polymerbasis durchdrungen
sind, wird hauptsächlich
von der Molekularstruktur, der Konzentration, dem ionischen Charakter
und der Ladungsdichte eines Polymeren bestimmt. Durch die Fähigkeit geladener
Stellen in den Polymermolekülen
zur Bindung mit oder zur Haftung an entgegengesetzt geladenen Stellen
auf Erdbodenteilchen lässt
sich die Erdmassen-Kohäsion durch
das Polymere über
eine Adhäsionswirkung
(Aneinanderbinden der Erdbodenkörnchen)
erhöhen.
Diese Wirkung entspricht der durch Aneinanderbinden einer Masse
von Sandkörnern
mit einem härtbaren
Epoxyharz erzielten Wirkung, das unter Bildung eines kohäsiven und
dauerhaften Sand/Harzkomplexes aushärtet, allerdings ist die adhäsive Wirkung
im Falle der vorliegenden Erfindung bei praktischer Anwendung temporär, da das
adhäsive
Bindemittel ein viskoses Polymer-Fluid oder -Gel ist, das durch
den alkalischen Charakter und den Calciumgehalt von Beton oder Portland-Zement
abgebaut werden kann, statt eines unlöslichen ausgehärteten Epoxyharzes.
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Kationische
Polyelektrolyte können
ebenfalls in das anionisch-basierte Polymerfluid unter (a) begünstigter
Koagulation oder Entfernung von suspendierten Erdbodenteilchen und/oder
(b) begünstigter
Strukturierung des Fluides eingearbeitet werden. Dieses Strukturieren
oder Wechselwirken zwischen dem auf einem anionischen Polymeren
basierenden Fluid und dem kationischen Material verleiht der kontinuierlichen
viskosen Phase einen semi-viskoelastischen Charakter. Diese Viskoelastizität macht
das Fluid gegenüber
Versickerung im Erdboden widerstandsfähiger. Die Beständigkeit
gegenüber
Fluidmigration in das umgebende Erdreich fördert die wirksame Übertragung
des hydrostatischen Druckes, wie vorstehend beschrieben, der das
Erdreich stabilisiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt aufgrund der Kombination von Molekulargewicht
und anionischer Ladungsdichte und Konzentration eines bei der Erfindung
eingesetzten Polymeren und/oder Viskosität des hergestellten Fluides
verbesserte Erdboden-Bindungsmerkmale, die sich durch eine verbesserte
Kohäsion
der exponierten und ausgehobenen Erdfeststoffe, insbesondere bei
Sand und Kies, ausdrücken.
Diese verbesserte Erdboden-Bindung und -Kohäsion erleichtert die Grabungsarbeiten, insbesondere
das Bohren mit einem (großen)
Bohrer bzw. Schlangenbohrer, und führt zu größerer Produktivität, verbesserter
Grabungskalibrierung bzw. -Spur und verbesserter Bewahrung der vor
der Grabung vorhandenen Erdbodenkohäsion und zu verbesserten Porenwasserdrücken in
dem umgebenden Erdreich.
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Die
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien, die als Vorläufer für die Bildung
von hydratisierten oder hydratisierenden Massen eingesetzt werden,
die die diskontinuierliche Phase der Zweiphasen-Fluide bilden, können aufgrund
einer oder einer beliebigen Kombination ihrer Eigenschaften (ihre
ionische Ladungsdichte, Molekulargewicht, chemische Zusammensetzung,
Vernetzung, Behandlungen mit oberflächenaktivem Mittel, physikalische
Korngröße, Teilchenform,
Plastizität,
Hydratationsmerkmale, Löslichkeitsmerkmale)
unter Verwendung gemäß den in
diesem Patent definierten Verfahren eine Fluidverlustkontrolle bereitstellen.
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Dieses
Verfahren liefert teilweise hydratisierte, halb solubilisierte oder
funktionell unlösliche
Teilchen (im folgenden hier als "Perlen" oder "Massen" bezeichnet), die
in der Aufschlämmung
jederzeit oder zu speziellen Zeiten des Bedarfs während des
Grabungs- oder Bohrverfahrens dispergiert sein müssen. Eine wirksame Fluidverlustkontrolle
in körnigen
oder durchlässigen
Erdböden
kann auch mit einem erfindungsgemäßen Fluid erzielt werden, wenn
eine adäquate
Konzentration und/oder Viskosität
eines funktionell wirksamen Polymeren (funktionell wirksamer Polymeren),
wie vorstehend beschrieben, angewandt wird zur Verhinderung oder
Einschränkung
der Permeation des Erdbodens durch das Fluid oder zur Permeation
des die Grabung umgebenden Erdreiches mit einer Zone von viskosem,
Erde-bindendem, kontinuierlichem oder halbkontinuierlichen Fluid
oder Gel, das der Strömung
oder der Verschiebung Widerstand leistet. Das Polymere assoziiert
sich typischerweise mit den Wassermolekülen des Fluides und macht das
Fluid beweglich, allerdings nicht benetzend.
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Die
in der Erfindung verwendeten "Gelmassen" oder "Perlen" oder "Zusammensetzungsmassen" werden auf einem
von drei Hauptwegen unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren
gebildet: (1) durch Hydratation von festen oder emulgierten Teilchen
oder Micellen von wasserdispergierbarem Polymeren (Polymer/Wasser);
(2) durch Wechselwirkung von anionischen, kationischen und/oder
amphoteren organischen polymeren Materialien wie Vinylen, Acrylharzderivate,
Polyacrylamiden und Polyaminen (Polymer/Polymer); (3) durch Wechselwirkung
von anionischen, kationischen und/oder amphoteren organischen polymeren
Materialien miteinander und mit Erdbodenteilchen unter Bildung von
Polymer/Erdboden-Komplexen oder -Agglomeraten (Polymer/Erdboden
oder Polymer/Polymer/Erdboden). Diese Massen werden in einer Vielzahl
von Größen und
Formen gebildet, einschließlich
jedoch nicht begrenzt auf planare Konfigurationen (wie eine Kartoffelchip-Konfiguration);
kugelige Konfigurationen, längliche
fingerartige oder faserige Konfigurationen und deformierbare Kügelchen,
Reisspelzenformen, strohhalmartige Formen und ovale Formen.
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Die
Dimensionen der hydratisierenden oder hydratisierten Massen können mit
den derzeit verfügbaren Materialien
von 10 μm
(Mikron) bis 100 mm reichen und können, wenn sie aus mehreren
einzelnen Massen zusammengesetzt sind, die bei dem Hydratationsprozess
oder durch ionische Wechselwirkung zusammengebacken werden, größer sein.
Noch größere hydratisierende
oder hydratisierte Massen können
durch Modifikationen bei der Herstellung der trockenen Zusammensetzungen
unter Herstellung von größeren Trockenteilchen,
die die Vorläufer
der hydratisierten Massen darstellen, möglich sein. Relativ große Massen
können
durch Zugabe eines kationischen Materials zu einem existierenden
anionischen Fluid hergestellt werden, oder durch die Wechselwirkung
zwischen einem kationischen Zusatzstoff, dem anionischen Polymerfluid
und Erdbodenteilchen hergestellt werden. Die kleinsten hydratisierten
Massen werden hergestellt durch Dissoziation von größeren hydratisierten
Massen oder durch direkte Hydratation von fein zerteilten trockenen
zusammengesetzten Teilchen oder durch die ionische Wechselwirkung,
die in einem existierenden anionischen Fluid durch Zerstäuben oder
durch Einbringen kleiner Tröpfchen
eines flüssigen
kationischen Materials in die Aufschlämmung oder durch Einbringen
eines feinen trockenen kationischen Materials in das existierende
Fluid erzeugt wird.
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Die
Massen können,
wenn sie in dem Fluid vorhanden sind, teilweise oder vollständig hydratisiert
sein. Die Massen sind vorzugsweise deformierbar. Diese Deformierbarkeit
fördert
die Anpassung, das Einnisten der Massen in Porenräumen in
körnigen
oder durchlässigen
Formationen und das Verengen oder Verschließen dieser Porenräume. Dieser
Mechanismus kontrolliert den Fluidverlust und ist besonders wirksam
bei Verwendung in Verbindung mit einer hochdosierten, hochviskosen,
kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Phase, die aus gelöstem(n)
funktionell wirksamem(n) Polymerem(en) gebildet ist.
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Die
Massen können
in dem Fluid eine endliche Lebensdauer aufweisen, entsprechend der
Zeit, die im Falle von Zusammensetzungen, die vollständig wasserlöslich sind,
zur vollständigen
Hydratation und Auflösung
der Massen erforderlich ist. Für
Zusammensetzungen, die hydratisierbar oder wasserquellfähig sind,
können
die Massen Phasen der Hydratation und der anschließenden Dissoziation
oder Adsorption an das umgebende Erdreich durchlaufen. Während der
Hydratationsphase werden die Massen in der Regel größer; anschließend können sie
an einem Punkt zu dissoziieren beginnen und können in dem Fluid viele kleinere
hydratisierte Teilchen erzeugen. Massen, die über eine Vor-Ort-Reaktion in
einem Fluid auf Anionenbasis mit einem Zusatzstoff auf Kationenbasis
gebildet werden, können
halb hydratisierte oder vollständig
hydratisierte Massen oder Kügelchen
erzeugen, die mit dem Fluidsystem unbegrenzt stabil sind. Diese
Massen oder Kügelchen
sind typischerweise deformierbar und besitzen eine hohe Affinität gegenüber einer
Bindung oder Wechselwirkung mit Erdboden.
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Die
hydratisierten oder teilweise hydratisierten natürlichen und synthetischen Polymere,
die Massen bilden, die die Poren in körnigen oder durchlässigen Erdböden verschließen und
dadurch das Versickern der Erdboden-Stabilisierungsaufschlämmung in
das umgebende Erdreich verlangsamen, sind bevorzugt. Polymere, die
eine Erdboden-Bindungsfähigkeit
besitzen, sind ebenfalls bevorzugt. Polymere, die eine hohe Haftung von
Erdformation an Beton ermöglichen,
die als "Umfangsbelastungs-Übertragungskoeffizient" oder "Umfangsbelastungs-Scherkraft" ausgedrückt wird,
sind ebenfalls bevorzugt.
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Die
Fähigkeit
der polymeren und harzartigen Materialien zur Bildung sowohl vorübergehender
oder abbaubarer Perlen oder Massen als auch zur Bildung von dauerhafteren
Perlen oder Massen zur Kontrolle des Fluidverlustes, oder zum optimalen
Verschließen
der Porosität
in durchlässigen
Formationen, wird bei der Herstellung oder Verarbeitung des Materials
oder während
der Herstellung des Fluides vor Ort durch eine oder mehrere der
folgenden Techniken erreicht: (a) teilweise Vernetzung des Materials
unter verzögerter
Hydratation, verminderter Löslichkeit
und erhöhter
Verzweigung; (b) starke Vernetzung des Materials unter verzögerter Hydratation
und verminderter Löslichkeit;
(c) Oberflächenbehandlung
(einschließlich
Coaddition vor Ort) der Materialien, wie mit einem oberflächenaktiven
Mittel, einer Beschichtung, Mikroeinkapselung oder physikalischer
Bearbeitung unter verzögerter
Hydratation; (d) Mischen der Materialien mit Coadditiven (z.B. Elektrolyten,
Kationen etc.), die die Hydratation verzögern; (e) Granulierung oder
Ausflockung oder Agglomeration und Sortieren unter Optimierung der
Teilchengröße der trockenen
Materialien, was die Hydratationsgeschwindigkeit für hydratisierbare
Materialien und die Größe der halb
hydratisierten Teilchen in der Aufschlämmung beeinflusst; die Granulierung
und Größensortierung
beeinflusst auch die Porenverschlussleistung von unlöslichen
oder plastischen Teilchen; (f) Einarbeitung von copolymerisierbaren
oberflächenaktiven
Mitteln in die Polymer- Hauptkette,
was die Hydrophilie-Neigung beeinflusst; (g) Polymerisation unter
Erhalt einer amphoteren oder ampholytischen Struktur; (h) Pfropfung
von Materialien aufeinander unter Bildung eines optimierten Endmaterials;
(i) Einarbeitung eines hydrophoben oder semihydrophoben oder nicht
wasserlöslichen
Materials unter verzögerter
Wasserlöslichkeit;
(j) Mischen der Materialien vor Ort mit kationischen Coadditiven
(z.B. Polyacrylamiden, Mannich-Basen, PolyDADMACs, Polyaminen, PolyMAPTACs,
Polyethyleniminen, etc.), die mit der auf Anionen basierenden Aufschlämmung unter
Bildung einer Vielzahl von Massenkonfigurationen wechselwirken;
(k) Mischen der Materialien vor Ort mit kationischen Coadditiven
(z.B. Polyacrylamiden, Mannich-Basen, PolyDADMACs, Polyaminen, PolyMAPTACs,
Polyethyleniminen, etc.), die mit der auf Anionen basierenden Aufschlämmung unter
Strukturierung des Fluides wechselwirken.
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Im
Umfang der Erfindung werden synthetische, natürliche und modifizierte natürliche Polymere
verwendet, einschließlich
von Polymer-Blends und Pfropfcopolymeren, die unter Erzeugung eines
Fluids, das eine kontinuierliche flüssige Phase enthält, in der
eine Vielzahl von hydratisierenden oder hydratisierten Polymermassen
vorhanden sind, hergestellt und verwendet werden. Beispiele für solche
Materialien sind synthetische Polymere und natürliche Polymere, wie Polysaccharide,
Gummen, Biopolymere und Kombinationen hiervon. Ebenfalls im Umfang
der Erfindung liegen Fluide, bestehend aus wasserlöslichen
oder wasserdispergierbaren synthetischen Polymeren, die ein oder
mehrere der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale oder Leistungsattribute
aufweisen, wenn keine Vielzahl von hydratisierenden oder hydratisierten
Polymermassen vorhanden ist. Die Polymermassen sind hilfreich beim
Erzielen der gewünschten
Leistung in körnigen
oder durchlässigen
Erdböden,
allerdings kann eine adäquate
Leistung oft ohne die Massen erhalten werden, wenn die Polymer-Auswahl,
-Dosierung und Fluidviskosität
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
wie hier beschrieben, im Einklang stehen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bildet ein Vinyl-Copolymeres
sowohl die kontinuierliche fluide Phase als auch die diskontinuierliche
Phase der hydratisierenden oder hydratisierten, in dem Fluid dispergierten
Massen. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die hydratisierenden
oder hydratisierten Massen natürlicher
Polymere oder modifizierter Polysaccharide in einer kontinuierlichen
fluiden Phase des solubilisierten anionischen oder amphoteren Polymeren
suspendiert. Bei einer alternativen Ausführungsform werden kationische
Materialien unter Bildung von Massen oder unter Zunahme der Viskosität oder Struktur
des Grabungsfluides einer kontinuierlichen oder halb kontinuierlichen
fluiden Phase zugesetzt, die solubilisiertes anionisches oder amphoteres
Polymeres enthält.
Werden kationische Materialien in ein anionen- oder amphoterbasierendes
Polymersystem eingebracht, können
sie durch die Bindung von kationischen Stellen an anionische Stellen
eine Wirkung hervorrufen, die die Viskosität des Fluides erhöht und die
Fähigkeit
des Fluides zum Halten von Teilchen in Suspension verbessern kann.
Diese erhöhte
Struktur kann ebenfalls die Migration oder die Permeation des Fluides
in das umgebende Erdreich reduzieren.
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Die
erfindungsgemäß verwendeten
Polymere werden, wenn die Herstellung einer Vielzahl von hydratisierenden
oder hydratisierten Polymermassen erwünscht ist, vorzugsweise in
einem festen granulären,
ausgeflockten oder agglomerierten Zustand zugegeben, wobei die Trockenteilchen
in der Größe von 0,01
mm bis 50 mm (bei bestimmten Flockungsprodukten) und derzeit in
einem Bereich von 0,01 mm bis 10,0 mm liegen und wobei die Gewichtsmehrheit
der Teilchen für
die meisten handelsüblichen
Produkte zwischen 0,10 mm und 2,5 mm liegt. Alle diese Materialien
vergrößern sich
bei Eintritt einer ersten Hydratation, obwohl die Dissoziation gegebenenfalls
die hydratisierte Teilchengröße vermindern
kann.
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Wenn
die Herstellung einer Vielzahl von Polymermassen erwünscht ist,
können
die erfindungsgemäßen Fluide
auch durch Zugabe von flüssigen
Polymeren durch Verfahren erzielt werden, die zur Erzeugung diskreter
ionisch reaktiver Keime bzw. Kerne in dem Fluid ausgelegt sind.
Flüssige
Polymere, sowohl in Lösungs- als auch Emulsionsform,
mit entweder kationischem, anionischem oder amphoterem Ladungscharakter,
können über Zerstäuben, kontrollierte
Tröpfchen
oder ein spezielles Mischgerät
unter Herstellung der gewünschten
hier beschriebenen Massen zugesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Fluide
weisen folgende API-Marsh-Trichter-Viskositäten auf:
- (a)
Zweiphasige Fluide mit durch beliebige Mittel hergestellten Massen
zur Verwendung bei einem beliebigen Erdbodentyp oder einer beliebigen
Erdformation: 28 sec pro Quart oder größer; mehr bevorzugt 32 sec pro
Quart oder größer; und
besonders bevorzugt 36 sec pro Quart oder größer.
- (b) Einphasige anionische Acrylfluide zur Verwendung in Schiefergestein,
Ton, Silt oder anderen feinkörnigen
Erdböden
oder Erdformationen, die nicht als Sand klassifiziert oder gröber sind:
größer als
45 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 50 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
55 sec pro Quart.
- (c) Einphasige anionische Acrylfluide zur Verwendung in trockenem
Sand, Kies oder anderen nicht kohäsiven Erdböden oder Erdformationen: größer als
60 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 70 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
75 sec pro Quart.
- (d) Einphasige anionische Acrylfluide zur Verwendung in nassem
Sand, Kies oder anderen nicht kohäsiven Erdböden oder Erdformationen: größer als
45 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 55 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
60 sec pro Quart.
- (e) Einphasige Fluide, enthaltend eine Kombination von zwei
oder mehreren beliebigen Materialien anionischer, nichtionischer,
amphoterer, assoziativer und/oder kationischer Natur zur Verwendung
in einem beliebigen Typ von Erdboden oder Erdformation: größer als
28 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 32 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
36 sec pro Quart. Diese Fluide können
strukturiert sein, besitzen ein verbessertes interassoziatives oder
ionisch gebundenes polymeres Netzwerk, oder sie können unstrukturiert
sein.
- (f) Einphasige Fluide, enthaltend ein assoziatives Polymeres
zur Verwendung bei einem beliebigen Typ von Erdboden oder Erdformation:
größer als
28 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 32 sec pro Quart; und besonders
bevorzugt größer als
36 sec pro Quart.
- (g) Einphasige Fluide, die ein amphoteres Polymeres enthalten,
zur Verwendung bei einem beliebigen Typ von Erdboden oder Erdformation:
größer als
28 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 32 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
36 sec pro Quart.
- (h) Einphasige Fluide, enthaltend ein kationisches Polymeres
zur Verwendung bei einem beliebigen Typ von Erdboden oder Erdformation:
größer als
28 sec pro Quart; mehr bevorzugt größer als 32 sec pro Quart; und
besonders bevorzugt größer als
36 sec pro Quart.
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Basieren
die Fluide auf anionischen Polyacrylamiden und sind die Viskositäten größer als
40 sec pro Quart, ist die Dosierung des Hauptpolymeren (bezogen
auf die Wirkung) vorzugsweise größer als
0,7 g/l.
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Eine
erhöhte
Viskosität
ist ein Schlüsselmerkmal
bestimmter Ausführungsformen
der Erfindung. Viskosität,
Polymerauswahl und Polymerdosierung sind in Relation zu Reaktivität, Hydratationsvermögen, Körnigkeit,
Porosität,
Durchlässigkeit
und hydraulischer Leitfähigkeit
der Erdformation festgelegt, Die resultierenden Fluide sollten das
Absetzen von aufgewirbelten Erdfeststoffen, die größer sind
als 75 μm
(Mikron), ermöglichen oder
sollten aufgewirbelte Erdfeststoffe bis zur Entfernung des Fluides
aus der Grabung oder bis zur Durchführung der Feststoff-Abtrennverfahren
unbegrenzt suspendieren. Es sollte auch möglich sein, in den Fluiden zusätzliches
frisches Polymeres zu dispergieren oder weitere Zusatzstoffe einzuarbeiten.
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Die
polymeren Erdboden-Stabilisierungsfluide auf der Basis von anionischen
Vinylen und anderen anionischen Polymerbasen oder carboxylhaltigen
Polymeren (z.B. Polyacrylat, Carboxymethylcellulose) sind in der
Regel gegenüber
einer Verunreinigung mit zweiwertigen und mehrwertigen kationischen
Verunreinigungen, wie Erdmetallen (Calcium, Magnesium, Eisen, Zink,
etc.) und zu einem geringeren Ausmaß gegenüber einwertigen Kationen wie
Natrium und Kalium empfindlich. Die Empfindlichkeit von solchen
polymeren Erdboden-Stabilisierungsfluiden
gegenüber
solchen Verunreinigungen besitzt bestimmte Vorteile (z.B. ermöglicht sie eine
verbesserte Bindung zwischen Beton und Boden) und bestimmte Nachteile
(z.B. übermäßige betonbedingte
Fluid-Zersetzung, die einen erhöhten
Polymerverbrauch zur Folge hat).
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Eine
bekannte Praxis der bisherigen Technik besteht darin, Verunreinigungen
solchen Ursprungs durch Vorbehandlung des Fluides mit bestimmten
Puffern wie Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat und verschiedenen
Phosphaten zu reduzieren. In auf Ton basierenden Bohrschlämmen und
-aufschlämmungen
werden diese Puffer ebenfalls verwendet, in der Regel in Verbindung
mit organischen Verdünnungsmitteln,
als Behandlungsmethoden zur Ausfällung
von Verunreinigungen wie Calcium, um die Entflockung der auf Ton
basierenden Systeme zu ermöglichen
und ihre Eigenschaften wiederherzustellen. Die Neuheit bei unserer
Verwendung von Puffern, Komplexbildnern und Hydroxiden besteht in
der Entdeckung, dass sie, allein oder in Kombination, zum Ausgleichen
der Effekte von kationischen Verunreinigungen in Polymersystemen
durch neue Verfahren des Kationenersatzes und der Polymerhydrolyse
verwendet werden können.
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In
den erfindungsgemäßen Fluiden,
die anionische Polymere enthalten, können lösliche Hydroxide, die als Hydroxylionen
in hohen relativen Konzentrationen vorhanden sind, die Fluidviskosität und Polymerfunktionalität über einen
Mechanismus des "Abziehens" der verunreinigenden
Kationen von den passivierten anionischen Stellen in der Polymerkette
wiederherstellen, was die Rehydratation und das Entknäulen des
zusammengefallenen Polymeren gestattet. Ein Hydroxylionen-Überschuss
bei pH-Werten über
11,5 kann auch die Systemviskosität und Anionenfunktionalität durch
Hydrolyse von Amidgruppen zu Carboxylgruppen wiederherstellen. Dies
kann durch Behandeln des Fluides zuerst mit einem Hydroxid (zum
Start der Hydrolyse) und durch anschließendes Puffern mit einer schwachen
Säure,
einem Phosphat, einem Phosphatester, einem Phosphonat oder löslichen
Bicarbonat unter Verringerung des pH-Wertes und Stopp der Hydrolyse
nach Bildung einer Menge neuer Carboxylgruppen durchgeführt werden.
Eine Hydrolyse von Amid zu Acrylat erzeugt neue funktionelle Gruppen,
die die Viskosität
und Funktionalität
des Systems wiederherstellen. In der Technik wurde bisher angenommen,
dass der hohe pH-Wert und die Umgebung mit leicht löslichem
Calcium, die durch Beton oder verunreinigten Zement erzeugt werden,
zu einer irreversiblen Ausfällung
von carboxylhaltigen Polymeren führten.
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Bei
einer weiteren neuen und vorteilhaften Verwendung von löslichen
Hydroxiden werden die Niederschläge,
die sie mit solchen verunreinigenden Kationen wie Magnesium bilden,
allein oder bei Komplexierung mit Polymeren als Dichtungs- oder Verschlussmittel
zur Kontrolle des Fluidverlustes in körnigen, durchlässigen oder
rissigen Formationen verwendet.
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1 ist
eine graphische Darstellung der Marsh-Trichter(„Funnel")-Viskosität gegen die CPD-Dosierung.
Der Begriff "CPD" soll so verstanden
werden, dass er sich auf den Handelsnamen für ein von der Firma KB Technologies
Ltd. in den Handel gebrachtes Produkt auf Polymerbasis innerhalb
des Umfangs der Erfindung bezieht.
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2 ist
ein Diagramm und zeigt einen Vergleich der Viskositätsentwicklungswirksamkeit
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung und eines
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 ist
eine graphische Darstellung der Flüssigkeitsverlust-Kontrolleigenschaften
der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Vergleich mit den bisherigen Zusammensetzungen und Verfahren. 3 zeigt
auch die Wirkungen der Hydratationszeit auf die Fluidverlustkontrolle
einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und auf eine herkömmliche
Polymerzusammensetzung und ein herkömmliches Verfahren, die beide
mit Bentonit verglichen werden.
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4 ist
ein Diagramm und zeigt die Filtrationskontroll-Leistung in Abhängigkeit
von der Zeit bei gleichen Hydratationszeiten (30 min.) für eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung und für
eine herkömmliche
Zusammensetzung.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Peak-Werte des Umfangsreibungs/Seitendruckes
bei Extraktionstests von Feinsandproben, die unter CDP-Aufschlämmungen
gebohrt wurden.
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6 ist
eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Umfangsbelastungsübertragungskoeffizienten
verschiedener Materialien.
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7 ist
eine graphische Darstellung der Viskositätsentwicklungswirksamkeit von
CDP im Vergleich zu Emulsions-PHPA bei hohen Dosierungsbereichen.
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8 ist
eine graphische Darstellung eines Vergleichs der mittleren normierten
Umfangsscherkraft für eine
Kontaktzeit von 24 h.
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Die 9 und 10 sind graphische Darstellungen von Bohrlochprofilen
für Pfahllöcher, die
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide
gebohrt wurden.
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11 ist
eine graphische Darstellung der Belastungstest-Ergebnisse, gemessen
als Funktion der Tiefe in Abhängigkeit
von der inneren Scherfestigkeit, für Betonpfähle, die in Löcher gegossen
wurden, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide
gebohrt wurden.
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Die 12, 13 und 14 sind
graphische Darstellungen der "Oberflächenreibungsentwicklung" und der Filtrationskontrolleffekte
für unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide
errichtete Großpfähle.
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Die 15, 16, 17 und 18 sind
graphische Darstellungen der "Oberflächenreibungsentwicklung" von unter Verwendung
der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide
errichteten Modellpfählen,
im Vergleich mit der bisherigen Verwendung von Bentonit und Attapulgit.
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19 ist
eine graphische Darstellung der Belastungstest-Ergebnisse mit einem
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide
errichteten Großpfahl,
im Vergleich mit der herkömmlichen
Verwendung von Bentonit.
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Bei
einer bevorzugtem Ausführungsform
wird ein Erdboden-Stabilisierungsfluid als wässrige Aufschlämmung mit
einer Vielzahl von darin suspendierten Massen von teilweise hydratisierten
oder hydratisierenden, wasserlöslichen,
wasserquellfähigen,
hydratisierbaren und/oder wasserdispergierbaren Zusammensetzungen
("die Zusammensetzungsmassen") formuliert. Die
Erdboden-Stabilisierungsfluide
enthalten darin suspendierte, teilweise gelöste und/oder hydratisierte
und/oder dispergierbare synthetische oder natürliche Polymere, Harze und/oder
Latizes; und sämtliche
Pfropfcopolymere der obigen Zusammensetzungen. Das Molekulargewicht
der Zusammensetzung(en) kann über
einen brei ten Bereich, z.B. 10000–40000000 oder höher, variieren.
Die Erfindung erfährt
allerdings ihre größte Brauchbarkeit,
wenn anionische Acrylpolymere mit Molekulargewichten von 100000
oder größer, vorzugsweise
von einer Million oder größer und
besonders bevorzugt über
10000000 unter Bildung der kontinuierlichen Phase, sowie der gesamten
oder eines Teils der diskontinuierlichen Phase, die die Vielzahl
von hydratisierenden oder hydratisierten Polymermassen darstellt,
verwendet werden. Auch kationische Polymere können der kontinuierlichen anionischen
Polymerphase zur Verbesserung der Strukturierungsmerkmale des Fluides
oder zur Erzeugung oder Anreicherung einer diskontinuierlichen Phase
zugesetzt werden.
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Bei
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
kann das Fluid ohne die Zusammensetzungsmassen, allerdings mit einer
ausreichenden Konzentration eines ausgewählten funktionell wirksamen
Polymeren, unter Bereitstellung einer adäquaten Viskosität und/oder
einer adäquaten
Erdboden-Bindungsfähigkeit
unter Bereitstellung von einer oder mehreren der folgenden Funktionen
hergestellt oder verwendet werden: zusätzliche Kohäsion bei körnigen oder durchlässigen Böden durch
die Wirkung als permeierender Klebstoff; Einschränkung oder Kontrolle des Fluidverlustes
an körnige
oder durchlässige
Böden und
Stütze
der Grabungswände über hydrostatische
Druckübertragung
durch Tränken
des Porensystems des Erdbodens mit viskosem Polymerfluid, das einer
Verschiebung widersteht, oder unter Verwendung eines Fluides, das
so viskos ist, dass es nicht frei in den Boden eindringen kann;
durch verbesserte Kohäsion
und durch Adhäsionseffekte
verbesserte Beladung und verbesserter Abtransport von Erdaushub
auf und mit Geräten
wie Erdbohrer bzw. Schlangenbohrer, Greifer; Möglichkeit der verbesserten
Bindung von Beton an Erdboden und der verbesserten Übertragung
der Reibungsbelastung im Vergleich mit den existierenden Aufschlämmungstechnologien.
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Der
anionische Charakter des Polymeren kann aus der Hydrolyse von Acrylamid
während
der Polymerisation oder aus der Copolymerisation von Acrylamid mit den
anionischen Monomeren, umfassend Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid,
Fumarsäure,
Itaconsäure,
Vinyl- oder Styrolsulfonsäure,
2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS®) und
dergleichen, und die wasserlöslichen
Salzen hiervon, erhalten werden. Die bevorzugten anionischen Monomere
sind Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Maleinsäure,
Vinyl- oder Styrolsufonate und AMPS® oder
ihre Salze. Copolymere, die Acrylamid und/oder ein anderes nichtionisches
Monomeres, dem mehr als ein anionisches Monomeres vorangestellt
ist, enthalten, liegen ebenfalls im Umfang der Erfindung.
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Der
Molprozentgehalt der Comonomeren in dem Polymeren kann innerhalb
bestimmter Grenzen schwanken, mit der Maßgabe, dass die Summe 100 %
beträgt.
Die anionische Ladungsdichte schwankt in dem Polymeren von 5 bis
90 %, vorzugsweise von 10 bis 80 % und besonders bevorzugt von 35
% bis 65 %. Zusammensetzung, anionischer Charakter und Molekulargewicht
des Copolymeren können
unter Erhalt der gewünschten
Bohr-, Fräs-
oder Grabungs- und Erdboden-Stabilisierungsfunktionen
für die
bestimmte Erdformation und die bestimmten Wasserbedingungen optimiert
werden.
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Das
erfindungsgemäße verwendete
anionische Copolymere kann durch Einarbeiten bestimmter kationischer
Monomere in das Polymere unter Bildung von ampholytischen Polymeren
weiter modifiziert werden. Die kationischen Monomeren sind ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus: Diallyldimethylammoniumchlorid, quaternisierten
Dimethylaminoethyl(meth)acrylaten und N,N-Dimethylaminopropylmethacrylamid und Kombinationen
hiervon. Diese kationischen Bestandteile können unter Bildung von Säuresalzen
umgesetzt oder unter Verwendung von Methylchlorid oder Dimethylsulfat
quaternisiert werden.
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Nichtionische
Monomere zur Verwendung bei der Praxis der Erfindung sind ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus: Acrylamid, Methacrylamid, C1-
bis C20-Acrylaten, N-Vinylpyrrolidon, Vinylacetat,
Styrol, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, oder Gemischen der Vorgenannten.
Besonders bevorzugt ist Acrylamid.
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Eine
kleine Menge von wasserunlöslichen/hydrophoben
Monomeren, wie langkettige C5- bis C20-Acrylaten, Hydroxyalkylate und N-Alkyl-substituierte
Acrylamide, können
ebenfalls in das erfindungsgemäß verwendete
Copolymere eingearbeitet werden. Diese hydrophoben Gruppen neigen
in einer wässrigen Lösung zur
gegenseitigen Assoziierung unter Bildung einer inter/intramolekularen
Assoziation. Als Ergebnis erhöht
sich die Lösungsviskosität, und die
Viskosität
ist im Vergleich zu Polymeren ohne die hydrophoben Gruppen gegenüber Salzen
relativ unempfindlich.
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Die
Polymerisation von Monomeren kann in Gegenwart eines Vernetzungsmittels
unter Bildung der vernetzten oder verzweigten Zusammensetzung durchgeführt werden.
Das Vernetzungsmittel enthält
Moleküle
mit entweder einer Doppelbindung und einer reaktiven Gruppe, zwei
reaktiven Gruppen oder zwei Doppelbindungen. Das Mittel kann ausgewählt sein
aus einer Gruppe, bestehend aus N,N-Methylenbisacrylamid, N,N-Methylenbismethacrylamid,
Polyethylenglycoldi(meth)acrylat, Glycidylacrylat, Acrolein, N-Methylolacrylamid,
C1-C42-Alkylaldehyden,
Glyoxal, Diallylamin, Triallylammoniumsalzen, Ammoniak, C1- bis C25-Aminen (einschließlich Diaminen
oder Triaminen), Epichlorhydrin, Diepoxyverbindungen oder dergleichen
und Gemischen der Vorgenannten. Die Vernetzung oder Verzweigung
beruht auf den inter- oder intramolekularen Reaktionen der Monomereinheiten
in der Polymerkette mit dem Vernetzungsmittel. Das Mittel ist in
ausreichenden Mengen zu verwenden, um eine vernetzte oder verzweigte
Zusammensetzung zu gewährleisten,
solange das resultierende Polymere noch wasserlöslich oder hydratisierbar ist.
Vorzugsweise werden zu diesem Zweck 0,001 % bis 20 %, und mehr bevorzugt
0,01 % bis 10 %, bezogen auf das Monomer-Gesamtgewicht verwendet.
Bei dieser Anmeldung kann der Anteil dieser Materialien von 0,01
bis 300 kg pro m3 Trockengewicht des Polymeren,
bezogen auf das Volumen von Wasser oder Aufschlämmung, reichen.
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Das
Rheologieprofil des Polymerfluides wird vom anionischen Charakter
und dem Vernetzungsgrad und -typ und der Menge und dem Typ von zugesetztem
kationischem, assoziativem oder amphoterem Material stark beeinflusst. 2 ist
ein Diagramm, das einen Vergleich der Viskositätsentwicklungswirksamkeit unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt.
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Die
Zusammensetzungsperlen oder -massen können in dem Grabungsfluid eine
begrenzte oder kontrollierbare Lebensdauer aufweisen. Diese Lebensdauer
kann auf der Grundlage der Chemie der Zusammensetzung und der physikalischen
und chemischen Eigenschaften des Grabungsfluides von mehreren Minuten bis
zu mehreren Wochen reichen. Die Lebensdauer der Zusammensetzungsmassen
kann durch einen beliebigen oder eine Kombination der folgenden
chemischen Mechanismen kontrolliert werden: (1) Vernetzungs- und/oder
Verzweigungsgrad; (2) Vernetzungs- und/oder Verzweigungsverfahren;
(3) Löslichkeit
und/oder hydrophiler/hydrophober Charakter der Zusammensetzungen;
und (4) Einschluss von Coadditiven und/oder Oberflächenbehandlungen
an den Zusammensetzungen.
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Die
Lebensdauer der Zusammensetzungsmassen kann vor Ort entweder positiv
oder negativ durch kontinuierliche Exposition gegenüber Scherkraft,
Exposition gegenüber
Kationen oder Elektrolyten, Exposition gegenüber Erdfeststoffen oder fortgesetzte
zeitabhängige
Hydratation beeinflusst werden. Eine Zusammensetzungsperle oder
-masse kann definiert werden als diskreter Bestandteil oder diskretes
Element, das unabhängig
in einem Grabungsfluid existiert und die oben in der Zusammenfassung
der Erfindung angegebenen Merkmale aufweist. Diese Perlen oder Massen
verleihen dem Fluid einzigartige Leistungsmerkmale, durch die sich
der Fluidverlust an die ausgeschachtete Formation vermindern lässt. Die
Fähigkeit
der Zusammensetzungsperlen oder -massen zur Herabsetzung der Formationsporosität an der
Formationsgrenzfläche
wird dadurch erreicht, dass die Perlen oder Massen in die Formationshohlräume hineingezogen
werden und diese Hohlräume
vollständig
oder teilweise verschließen
und abdichten.
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Wenn
sich diese Zusammensetzungsperlen oder -massen aneinander anlagern,
verengen oder verschließen
sie die Porenhälse
unter Verminderung des Fluidverlustes. Ein Filterkuchen oder eine
Tiefenabdichtung der Erdbodenmatrix durch synthetisches oder natürliches
Polymeres und/oder Harz wird gebildet. Dieser Filterkuchen oder
diese Abdichtung kann kolloidales oder gelöstes wasserlösliches
Polymeres oder Harz einverleiben, um die Filtrationskontrolle und
den Filterkuchenaufbau weiter zu verbessern. Wenn das Fluid mit den
vorhandenen Gelmassen formuliert oder verwendet wird, ist die Optimierung
dieser Perlen oder Massen eine wesentliche Determinante der Leistung
und der Erdboden-Abdichtungseigenschaften
des Fluides und des Filterkuchens oder der Matrixabdichtung. Diese
Zusammensetzungsperlen oder -massen aus synthetischem oder natürlichem
Polymerem oder Harz oder Kombinationen hiervon gestatten das Weglassen
von Bentonit, Silt und/oder anderem kolloidalem oder fein zerteiltem
Material aus dem Fluidaufbau bei Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
Wechselwirkung zwischen den Perlen oder Massen, dem Polymeren und
dem Erdboden bildet einen Filterkuchen auf und in den Wänden der
Grabung und, zu einem größeren Ausmaß in grobkörnigen Böden, ein
viskoses Konglomerat aus Polymerem/Erdboden oder eine Struktur,
die die vor Ort vorhandenen Bodenkörner und das Fluid aus Polymerem/Gel
enthält,
das unter dem hydrostatischen Druck die Porenmatrix des Bodens durchdringt.
Der Polymerfilterkuchen und die Polymer/Erdboden-Tiefenstruktur
tragen wesentlich zur Aufrechterhaltung einer stabilen Seitenwand
in der Bodenformation bei. Die Seitenwandstabilisierung wird verstärkt durch
die Verminderung des Fluidverlustes an die Formation, die Aufrechterhaltung
eines durch den Wandkuchen und die Matrix-Tiefenabdichtung übertragenen
hydrostatischen Druckdifferentials und die erhöhte Erdboden-Bindungsfähigkeit
des Fluides.
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Der
Polymer-Filterkuchen oder die Polymer/Erdboden-Matrix, die bei der
Erfindung erzeugt wird, vermindert wesentlich den Fluidverlust an
die umgebende Formation. Ein übermäßiger Fluidverlust
an die Bodenformation, insbesondere wenn das verlorengegangene Fluid
Wasser oder niedrig dosiertes Polymeres/Wasser-Fluid ist, hydratisiert
die Formation und unterbricht die natürlichen Kohäsionskräfte zwischen den Formationsfeststoffen.
Dieser Verlust an Kohäsionskräften führt zum
Seitenwand-Abrutschen und -Einstürzen.
Die Polymer/Boden-Matrix hält
durch Verminderung oder Hemmung der Hydratation der Formation und/oder Änderungen
des Erdboden-Porendrucks und Aufrechterhaltung eines hydrostatischen
Druckdifferentials durch oder über
die Polymer/Boden-Matrix eine wesentlich stabilere Grabung aufrecht,
als es aus der bisherigen Technik bekannt war.
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3 zeigt
die Fluidverlustkontrolle in Abhängigkeit
von der Polymer-Hydratationszeit
von einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und von zwei im Handel erhältlichen Aufschlämmungsprodukten
für Tiefbohrungen.
Die in 3 gezeigten Hydratationszeiten stellen die Zeit
dar, die zwischen Einbringen eines Polymeren in das Mischwasser
und Start des Filtrationstests verstreicht. Die Hydratationszeit
ist eine Hauptdeterminate für
das Vorliegen, das überschüssige Vorliegen
und die Qualität
der teilweise hydratisierten oder hydratisierenden Gelmassen in
dem Fluid. Im allgemeinen wird bei zunehmender Hydratationszeit
die Anzahl der diskreten Gelmassen vermindert, und die Gelmassen,
die vorhanden sind, werden größer und
elastischer. Somit vermindert sich die porenverschließende Wirkung
der Gelmassen, und das Fluid muss zur Kontrolle des Fluidverlustes,
Erhöhung
der Bodenkohäsion
und Bewirkung der anderen erfindungsgemäßen Funktionen auf die Viskosität der kontinuierlichen
Phase und auf die Bindung von Polymerem an Bodenkörner (Haftung)
zurückgreifen.
Bei der Erstellung der Daten für 3 wurden
im Handel erhältliche
Produkte unter niedriger Scherkraft mit einem Einzelwellscheiben-Impeller
bei ungefähr
3000 U/min. gemischt. Die Produkte wurden 5 bis 10 min. gerührt und
wurden während
der restlichen Hydratationsdauer nicht gerührt. Bentonit wurde zur Gewährleistung
einer guten Dispersion mit hoher Scherkraft vermischt. Der Test
wurde bei einem Druckdifferential von 5 psi gegen eine künstliche,
hergestellte Sandsteinscheibe einer Dicke von 1/4'' mit einer Permeabilität von 20
Darcy und einem Porendurchmesser von nominal 60 μm (Mikron) durchgeführt.
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4 ist
ein Diagramm, das die Filtrationskontroll-Leistung einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung mit der Filtrationskontrolle eines herkömmlichen
Polymerfluides bei gleicher Hydratationszeit der Polymeren vergleicht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Polymermaterialien durch direkte Zugabe
in die Öffnung
des Bohrloches oder der Grabung eingebracht, und die Ausschacht-
oder Bohrgeräte werden
zum Mischen des Fluides vor Ort ohne den Vorteil weiterer Misch-
oder Vormischgeräte
oder – verfahren
verwendet.
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Bei
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die zur Erzeugung der Erdboden-Stützaufschlämmung verwendeten Materialien
indirekt in die Öffnung
des Bohrloches oder der Grabung eingebracht, wobei nicht nur die
Bohr- oder Grabgeräte
zum Mischen des Fluides vor Ort verwendet werden. Das Material wird
dem System mit dem Vorteil weiterer Misch-, Vormisch-Spezialgeräte, Einfülltrichter
oder weiterer indirekter Verfahrensweisen zugesetzt.
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Die
Ladungsdichtemerkmale der erfindungsgemäß verwendeten Polymere sind
ein Hauptfaktor für
die Erdboden-Bindungsfähigkeit
des Fluides. Die Erdboden-Bindungsfähigkeit
ist die Fähigkeit
und das Vermögen des
Polymeren oder des Materials zum Binden und Stabilisieren von exponiertem
Erdreich oder Erdaushub. Diese Affinität besitzt die Funktion der
Verbesserung der Seitenwand-Stabilisierung,
der Bohrloch-Abmessungen bzw. -kalibrierung und der Entfernung von
Erdaushub. Die Ladungsdichte oder das Verhältnis von anionisch und/oder
kationisch geladenen, an das Polymere angehängten Einheiten trägt hauptsächlich zum
Ausmaß der
Erdboden-Bindungsfähigkeit
bei, die ein Polymeres aufweist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Grabungs-Stützvermögen oder
die Fähigkeit
der Grabgeräte
oder -systeme zum Halten oder Entfernen von erhöhten Erdlasten durch die Erdboden-Bindungsfähigkeit
der Aufschlämmung
wesentlich verbessert. Durch die verbesserte Erdboden-Bindungsfähigkeit
lassen sich ausgehobene Feststoffe oder Erdaushub mit Grabgeräten entfernen,
die bisher unter Verwendung von Stand-der-Technik-Materialien nicht
erfolgreich waren. Das verbesserte Grabungs-Stützvermögen steigert die Effektivität der Grabungsarbeiten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Polymere ein wasserlösliches oder teilweise wasserlösliches
oder hydratisierbares oder wasserdispergierbares lineares, verzweigtes,
vernetztes, teilweise vernetztes oder gepfropftes Material, das
zur Verzögerung
der Hydratation mit einem hydrophoben oberflächenaktiven Mittel oder durch
Mischen der Materialien weiter behandelt wird. Hydrophobe, oberflächenaktive
Mittel können
durch Coaddition vor Ort, Beschichten, Mikroeinkapselung oder physikalische
Bearbeitung zugesetzt werden.
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Ist
das erfindungsgemäß verwendete
Polymere nicht vernetzt und wasserlöslich, teilweise wasserlöslich, hydratisierbar
oder wasserdispergierbar, werden Körnigkeit, Hydrophilie/Hydrophobie,
Molekulargewicht, Lösungsgeschwindigkeit
und weitere Faktoren mit einer Anwendungstechnik kombiniert, die
die vorübergehende
Hydratationsphase (die Zeitdauer, während der das Polymere in dem
Fluid in Form diskreter, teilweise gelöster oder sich lösender Massen
oder Perlen suspendiert ist) zur Erzielung einer Fluidverlustkontrolle
ausnützt.
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Die
hydrophoben oberflächenaktiven
Mittel können
zur Verzögerung
der Hydratation und zur Vergrößerung der
Haltbarkeit von Perlen oder Massen mit und ohne Vernetzung während der
Herstellung und als nicht stöchiometrischer,
in dem Polymergranulat getrockneter Bestandteil oder als Oberflächenbehandlung nach
der Herstellung in das Polymere eingearbeitet werden. Die hydrophoben
oberflä chenaktiven
Mittel enthalten oberflächenaktive
Mittel mit HLB (Hydrophilie/Lipophilie-Gleichgewicht) -Werten im
Bereich von 2 bis 10, vorzugsweise kleiner als 8. Geeignete oberflächenaktive
Mittel umfassen Sorbitanester, Phthalsäureester, Fettsäuren, Glyceride,
Glycerinester sowie Amide und ethoxylierte oder propoxylierte Versionen
der Obigen. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfasst schwach bis mäßig vernetzte Polymere mit
einer leichten Behandlung durch ein oberflächenaktives Mittel.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Perlen oder Massen vorübergehend. Der vorübergehende
Charakter der Perlen oder Massen wird durch Typ und Ausmaß der Vernetzung
der Polymeren kontrolliert. Die Polymervernetzung zerreißt mit der
Zeit, und die Perlen und Massen zerfallen. Hydratation, Scherkraft
und Ionisierungsgrad bauen das gesamte Polymere ab und zerreißen die
Massenstruktur. Die löslichen
Polymeren, Perlen und Massen fallen zusammen, oder der Zerfall kann
durch Kontakt mit zweiwertigen und dreiwertigen Kationen, Oxidationsmitteln
und/oder Chloriden beschleunigt werden. Dieses Zusammen- oder Zerfallen
der Perlen und Massen ist in der Bauindustrie und in anderen Industrien,
wo Beton, Mörtel,
Zement und andere Materialien in eine Säule, Wand oder einen Graben
gefüllt
werden, kritisch. Bei diesen Anwendungen sind das Seitenwand-Reibungsvermögen oder
die Seitenwand-Tragfähigkeit
von Bedeutung. Die Erfindung stellt eine wesentlich verringerte
Resteinwirkung mit Seitenwand-Merkmalen bereit, wodurch eine verbesserte
Strukturintegrität
und Tragfähigkeit
erzeugt werden.
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Der
Zerfall des solubilisierten Polymeren, der Perlen und Massen in
dem Fluid sowie an der Seitenwand-Grenzfläche verbessert die Seitenwand-Reibungskoeffizienten
gegenüber
den bisherigen Bohr- und Grabungsfluidtechniken wesentlich. 5 zeigt
eine graphische Darstellung des Umfangsreibungs/Seitendruckes aus
dem Extraktionstest für
Feinsandproben, die unter Anwendung der herkömmlichen Technologie gebohrt
wurden, und eine bevorzugte Polymer-Ausführungsform. Der Zerfall der
Aufschlämmung
verbessert ebenfalls die Verschiebung durch Beton, Zement, Mörtel etc.
und führt
zu einer verbesserten Qualität
der Endstruktur oder einem verbesserten Verschluss aufgrund von
weniger Verunreinigungsintrusionen, Hohlräumen im Beton, Zement, Mörtel etc.
der Endstruktur und/oder direkten Verunreinigungen des Betons, Zements,
Mörtels
etc. der Endstruktur.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
bilden die hydratisierten oder teilweise hydratisierten natürlichen
und synthetischen Polymere Massen, die die Poren in körnigen oder
durchlässigen
Erdböden
verschließen
und dadurch das Einsickern der verwendeten Erdboden-Stabilisierungsaufschlämmung in
das umgebende Erdreich verlangsamen. Die Polymere, die Erdboden-Bindungsfähigkeit
aufweisen, sind bevorzugt. Polymere, die eine hohe Formations-Beton-Haftung
ermöglichen,
was als "Umfangsbelastungs-Übertragungskoeffizient" ausgedrückt wird,
sind ebenfalls bevorzugt. Siehe 6 und 8.
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8 zeigt
die Oberflächenreibungsentwicklung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung nach einer Kontaktzeit von 24 h in einem experimentellen
Bohrschacht. Die Figur zeigt, dass die bevorzugte Ausführungsform
bei der Entwicklung von Oberflächenreibung
Bentonit in der Leistungsfähigkeit übertraf.
Die Figur zeigt ebenfalls, durch Weglassen, bei Vergleich mit 6,
dass die aus Attapulgit und aus Emulsions-PHPA formulierten Aufschlämmungen
bei der Aufrechterhaltung einer Aufschlämmungssäule in den experimentellen
Bohrschächten
aufgrund eines vollständigen
Fluidverlustes versagten. Das erfindungsgemäße Polymere entwickelte die
höchste
Oberflächenreibung
der Aufschlämmungsformulierungen,
die Fluid 24 h in dem experimentellen Bohrschacht zu halten vermochten.
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Bei
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
Trockenteilchen, Flocken, Agglomerate oder Kristalle von Materialien,
die zur Herstellung einer Aufschlämmung verwendet werden, so
sortiert oder hergestellt, dass sie aus unterschiedlich großen Teilchen
oder Flocken bestehen, die in der Größe von 0,01 mm bis 50 mm, vorzugsweise
von 0,01 mm bis 10,0 mm und besonders bevorzugt von 0,10 mm bis
2,5 mm reichen, wie bestimmt durch Klassierung mit Sieben mit Öffnungen
dieser Größen. Die zur
Herstellung der Aufschlämmmung
verwendeten Trockenteilchen, Flocken oder Kristalle von Materialien besitzen
verschiedene Größen. Die
Materialien werden zur Optimierung der Fluidverlust-Kontrolleistung
in speziellen Typen von körnigen,
zerklüfteten
oder frakturierten Erdformationen mit unterschiedlichen Porengrößen, Zerklüftungen
oder Frakturen in verschiedenen Teilchengröße-Unterbereichen hergestellt,
sortiert und ausgewählt.
Die größeren Teilchengrößen sind
für solche
poröse
Formationen wie Sand, Kies, Kieselsteine und Gletschermoränen erforderlich.
Weniger poröse
Formationen, wie hydratisierbare Schiefer, Tone und Silt, erfordern
kleinere Teilchengrößen. Die
Wahl der Teilchengröße ist zur
Optimierung der Produktwirksamkeit in verschiedenen Formationen
von Bedeutung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung reicht
die Teilchengröße für das körnige, geflockte
oder agglomerierte Polymere von 0,01 mm bis 50 mm, vorzugsweise von
0,01 nun bis 10,0 mm und besonders bevorzugt von 0,1 nun bis 2,5
mm, wobei die Gewichtsmehrheit der Granulate zwischen 0,40 mm und
2,5 mm liegt.
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Sämtliche
Ausführungsformen
der Erfindung können
in flüssiger
Form hergestellt und verwendet werden, d.h. in Emulsionsform (Öl-kontinuierlich
oder Wasserkontinuierlich), Suspensionsform, Dispersionsform, fester
Form oder Lösungsform.
Die bevorzugte physikalische Form für die anionischen Acryl-basierten
Polymeren sind Trockengranulate, Flocken oder Agglomerate.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Polymeres verwendet mit einem Anionencharakter
im Bereich von etwa 35 % bis etwa 65 % und einem Molekulargewicht über 100000,
vorzugsweise über
1 Million und besonders bevorzugt über 10 Millionen, wie gemessen
vor der Vernetzung, welches unter Verwendung entweder von Aldehyd,
C1- bis C25-Alkylaminen,
einschließlich
Diamin und Triamin, und/oder Methylenbisacrylamid, zu 0,01 % bis
10 % leicht vernetzt ist. Das Polymere ist entweder ein Copolymeres
von Acrylamid und Acrylsäure
oder Maleinsäure,
Maleinsäureanhydrid
oder Fumarsäure
oder AMPS®,
Styrolsulfonsäure,
Vinylsulfonsäure,
Methallylsulfonsäure,
und ihren Salzen und einer beliebigen Kombination hiervon. Das molare
Verhältnis
dieser Bestandteile kann variieren, um den gewünschten anionischen Charakter
für die bestimmte
Formation und die bestimmten Wasserbedingungen zu erreichen. Unter
den meisten Formationsbedingungen sollte die Teilchengröße für das körnige Polymere
von 0,01 mm bis 10,0 mm reichen, wobei die Mehrheit der Teilchen
zwischen 0,1 mm und 2,5 nun liegt.
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Die
Erfindung kann sich in einer Vielzahl von bevorzugten Ausführungsformen
ausdrücken,
die verschiedene Kombinationen der hier beschriebenen Merkmale der
Fluide und der hier beschriebenen Verfahren umfassen.
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1. Einphasige ("glatte") Fluide
-
Es
wird angenommen, dass sich das Wasser in dem Fluid innig mit einem
oder mehreren Polymeren so verbindet, dass die kontinuierliche Fluidphase
eine Lösung
oder kolloidale Dispersion von einem oder mehreren Polymeren ist.
In einigen Fällen
und unter einigen Bedingungen kann in den erfindungsgemäßen Fluiden "freies" Wasser existieren
oder kann aus Massen von aus den Fluiden extrahierten Erdfeststoffen
freigesetzt werden.
- 1a. Bei einer ersten nicht
beanspruchten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres mit einer Ladungsdichte von 5 % bis
95 %, mehr bevorzugt von 10 bis 80 % und besonders bevorzugt von
30 % bis 80 % und einem Molekulargewicht von 1 Million oder größer, oder
vorzugsweise von 10 Millionen oder größer, unter Erzeugung eines
einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von größer als
60 vollständig
in Wasser in Konzentrationen von 0,7 g/l (wirkungsbezogen) oder
höher gelöst. Das
Fluid wird zum Graben, Bohren oder Tiefbohren in trockenem Sand
oder Kies verwendet.
- 1b. Bei einer zweiten nicht beanspruchten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres mit einer Ladungsdichte von 5 % bis
95 %, mehr bevorzugt von 10 bis 80 % und besonders bevorzugt von
30 % bis 80 %, und einem Molekulargewicht von 1 Million oder größer, oder
vorzugsweise von 10 Millionen oder größer, unter Erzeugung eines
einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von größer als
45 vollständig
in Wasser in Konzentrationen von 0,7 g/l (wirkungsbezogen) oder
höher gelöst. Das
Fluid wird zum Ausschachten, Bohren oder Tiefbohren in kohäsiven Erdformationen
oder in feuchtem oder nassem Sand oder Kies verwendet.
- 1c. Bei einer dritten nicht beanspruchten Ausführungsform
wird ein Polymeres auf Vinylbasis, das kationische Gruppen enthält und ein
Molekulargewicht von 25 000 oder größer aufweist, unter Erzeugung
eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 30 oder größer in Konzentrationen
von 0,2 g/l (wirkungsbezogen) oder höher vollständig in Wasser gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet.
- 1d. Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform wird ein aninnisches
Polymeres mit einer Ladungsdichte von 3 bis 90 % und einem Molekulargewicht
von 100000 oder größer unter
Erzeugung eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder größer in Konzentrationen
von 0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder höher vollständig in Wasser gelöst. Das
Fluid enthält
kationische Materialien (z.B. Polyamin) und kann auch weitere Zusatzstoffe
enthalten, zur rheologischen Strukturierung. Das Fluid wird für Grabungs-,
Bohr- und Tiefbohrarbeiten
oder andere industrielle Anwendungen eingesetzt. Das Fluid wird nach
der Herstellung, ob in einem Gefäß, einer
Grabung oder auf eine andere Vor-Ort-Methode, mit einem löslichen
Hydroxid so behandelt, dass die Amidgruppen zu Acrylatgruppen hydrolysiert
werden, was durch die erhöhte
Viskosität
bewiesen wird.
- 1e. Bei einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres mit einer Ladungsdichte von 3 % bis
90 % und einem Molekulargewicht von 100000 oder größer, unter
Erzeugung eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
vollständig
in Wasser in Konzentrationen von 0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder
höher gelöst. Das
Fluid enthält
kationische Materialien (z.B. Polyamin) und kann auch weitere Zusatzstoffe
zur rheologischen Strukturierung enthalten. Das Fluid wird bei Grabungs-,
Bohr-, Tiefbohrarbeiten oder anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.
Das Fluid wird nach der Herstellung, ob in einem Gefäß, einer
Grabung oder auf eine andere Vor-Ort-Methode,
mit einem löslichen
Hydroxid so behandelt, dass die Amidgruppen zu Acrylatgruppen hydrolysiert
werden, was durch die erhöhte
Viskosität
bewiesen wird. Nach einer solchen Hydrolyse wird dem System ein
Puffer wie Natriumbicarbonat, ein Phosphat oder eine Säure zur
Verlangsamung oder zum Stoppen der Hydrolyse des Polymeren zugesetzt.
- 1f. Bei einer sechsten bevorzugten Ausführungsform wird ein anionischen
Polymeres mit einem Molekulargewicht von 25 000 oder größer, in
Konzentrationen von 0,01 g/l (wirkungsbezogen) oder höher vollständig in
Wasser gelöst.
Dem Fluid wird ein kationischer Polyelektrolyt zur Bereitstellung
einer rheologischen Strukturierung des Fluides und zur Erzeugung
eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
und einem Rheologieprofil, das diesen Strukturierungseffekt beweist,
zugesetzt. Das Fluid wird bei Grabungs-, Bohr-, Tiefbohrarbeiten
oder anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.
- 1g. Bei einer siebten bevorzugten Ausführungsform wird ein wässriges
einphasiges Fluid, das die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40
erfüllt,
aus einem oder mehreren anionischen, amphoteren und/oder kationischen
Polymer(en) hergestellt, wobei Puffer und Variationen des pH-Wertes
zur Kontrolle des Strukturierungscharakters des (der) Polymeren
eingesetzt werden. Das Fluid wird bei Grabungs-, Bohr-, Tiefbohrarbeiten
oder anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.
- 1h. Bei einer achten bevorzugten Ausführungsform wird ein wässriges
einphasiges Fluid, das die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40
erfüllt,
aus (einem) amphoteren Polymeren hergestellt, wobei kationische
und anionische Spezies in der gleichen Copolymerstruktur vorhanden
sind, die bei hohen und niedrigen pH-Bedingungen in dem auf einer Vinylhauptkette
basierenden Copolymersystemen unterschiedlich reagiert. Das Fluid
wird bei Grabungs-, Bohr-, Tiefbohrarbeiten oder anderen industrielle
Anwendungen eingesetzt.
- 1i. Bei einer neunten bevorzugten Ausführungsform wird ein einphasiges
wässriges
Fluid, das die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40 erfüllt, aus
hydrophob modifizierten Copolymeren hergestellt, und langkettige Amine
werden zur pH-Einstellung
von Carbonsäuregruppen-haltigen
Copolymersystemen mit Acryl-Hauptkette
verwendet. Das Fluid wird bei Grabungs-, Bohr-, Tiefbohrarbeiten
oder anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.
- 1j. Bei einer zehnten nicht beanspruchten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres mit einem Molekulargewicht von 10000
oder größer unter
Erzeugung eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder größer in Konzentrationen
von 0,1 g/l (wirkungsbezogen) oder höher vollständig in Wasser gelöst. Das
Fluid wird bei Grabungs-, Bohr-, Tiefbohrarbeiten in einer Umgebung
verwendet, die bewirkt, dass das Fluid durch Meerwasser oder andere
Quellen von löslichen
Kationen, insbesondere Magnesium, verunreinigt wird. Dem Polymerfluid
in der Grabung wird (zur Bereitstellung einer Dichte, die wesentlich
größer ist
die von Wasser) Natrium oder anderes lösliches Hydroxid, vorzugsweise in
flüssiger
gelöster
Form und vorzugsweise mit einem wirksamen Gehalt von mindestens
25 % (Gew./Gew.), direkt als Slug zugesetzt und in Richtung der
Verunreinigungsquelle nach unten sinken gelassen. Trockenes oder
tablettenförmiges
Hydroxid kann ebenfalls eingesetzt werden. Das Hydroxid reagiert mit
dem Magnesium oder mit gleichermaßen reaktivem Kation unter
Bildung unlöslicher
Hydroxide und entfernt das verunreinigende Kation aus dem System
und gestattet somit die vollständigere
Hydratation des Polymeren und eine höhere Viskosität. Dieser
Effekt kann in Gegenwart von überschüssigem Hydroxid durch
Vor-Ort-Hydrolyse des Polymeren, insbesondere eines Polyacrylamides,
unter Erzeugung von mehr Carboxylgruppen, die sich mit dem verfügbaren Wasser
assoziieren und die Viskositätsentwicklung
oder Wiederherstellung unterstützen,
hervorgehoben werden. Durch diese Technik lassen sich Polymere wie Polyacrylamid,
die gegenüber
den zweiwertigen Kationen im Meerwasser und Brackwasser empfindlich sind,
erfolgreich zur Herstellung und Aufrechterhaltung viskoser hochleistungsfähiger Erdboden-Stabilisierungsfluide
verwenden, wenn mit solchem Wasser gesättigte Böden ausgehoben werden, oder
bei Grabungen, die der Intrusion mit solchem Wasser unterliegen.
- 1k. Bei einer elften bevorzugten Ausführungsform werden Alkylmethacrylatester
(C1 bis C29) in
Copolymeren mit Acryl-Hauptkette, die entweder anionische oder kationische
Gruppen enthalten, als rheologische Strukturhilfen einem Grabungsfluid
zugesetzt, das die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40 erfüllt, das
auf einem anionischen, kationischen oder amphoteren wasserlöslichen
Polymeren basiert. Solche Materialien bilden hydrophob assoziierte
Regionen, während
andere Bereiche des Copolymeren sich an den kationischen oder anionischen
Oberflächen
der Teilchen ausrichten, d.h. die Carboxylfunktion an eine kationische Fläche eines
Minerals und somit ein kationischer Aminotyp (beispielsweise DADMAC)
an eine anionische mineralische Kante. Kationische und anionische
Funktionen können
zur Verstärkung
der rheologischen Strukturierung oder der Bildung eines polymeren
Netzwerkes auch Ionenpaare bilden.
- 1l. Bei einer zwölften
bevorzugten Ausführungsform
können
Polysaccharide, Gummen, Biopolymere und Kombinationen hiervon zur
Einstellung der Viskositäts-Tragfähigkeit
und Belastbarkeit eines erfindungsgemäßen Fluides, das die Erfordernisse
von Anspruch 1 oder 40 erfüllt
und auf der Basis von anderen Polymeren der Erfindung ist, durch
Veränderung
der Rheologie zur Entwicklung einer verbesserten rheologischen Struktur
verwendet werden.
- 1m. Bei einer dreizehnten bevorzugten Ausführungsform werden Fluide, die
die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40 erfüllen und auf Basis von anionischen
veretherten Polysacchariden, Gummen, Biopolymeren und Kombinationen
hiervon (z.B. CMC, Carboxymethylstärke, verethertes Guar, Xanthan)
sind, mit kationisch geladenen Polyelektrolyten oder Polymeren zur
rheologischen Strukturierung des Fluides dosiert. Ein Beispiel ist
ein Polyamin, das einem Fluid auf CMC-Basis zugefügt wird.
-
2. Zwei- oder mehrphasige
("klumpige") Fluide
-
- 2a. Bei einer vierzehnten nicht beanspruchten
Ausführungsform
wird ein anionisches oder amphoteres Polymeres auf Vinyl- oder Acrylbasis
mit einem Molekulargewicht von 50000 oder größer und mehr bevorzugt von
1 Million oder größer in Konzentrationen
von 0,1 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV) von größer als
28 Wasser zugesetzt. Das Fluid enthält einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht vollständig gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet, während sich
ein Teil des Polymeren in einem teilweise hydratisierten Zustand
befindet.
- 2b. Bei einer fünfzehnten
bevorzugten Ausführungsform
werden Fluide, die die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40 erfüllen und
auf Basis von anionischen oder amphoteren veretherten Polysacchariden,
Gummen, Biopolymeren und Kombinationen hiervon (z.B. CMC, Carboxymethylstärke, verethertes
Guar, Xanthan) sind, mit kationisch geladenen Polyelektrolyten oder
Polymeren unter Erzeugung von diskreten Massen oder Perlen durch
Wechselwirkung des kationischen Zusatzstoffes mit der kontinuierlichen
anionischen oder amphoteren Phase in dem Fluid dosiert. Ein Beispiel
ist ein zu einem Fluid auf CMC-Basis zugesetztes Polyamin. Das Fluid
wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet.
- 2c. Bei einer sechzehnten bevorzugten Ausführungsform werden Fluide, die
die Erfordernisse von Anspruch 1 oder 40 erfüllen und auf Basis von anionischen
oder amphoteren veretherten Polysacchariden, Gummen, Biopolymeren
und Kombinationen hiervon (z.B. CMC, Carboxymethylstärke, verethertes
Guar, Xanthan) sind, unter Erhalt einer kontinuierlichen Phase von
gelöstem
oder hydratisiertem Polymerem und auch einer diskontinuierlichen
Phase von teilweise hydratisierten oder teilweise hydratisierenden
Massen des Polymeren formuliert, d.h. das Polymere ist in dem Fluid
nicht völlig
gelöst.
Das Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet, während sich
ein Teil des Polymeren in einem teilweise hydratisierten Zustand
befindet.
- 2d. Bei einer siebzehnten bevorzugten Ausführungsform wird ein anionisches
Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte von 3 % bis 90
% und einem Molekulargewicht von 100000 oder größer in Konzentrationen von
0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
zu Wasser zugesetzt. Das Fluid enthält kationische Materialien
(z.B. Polyamin) und kann auch weitere Zusatzstoffe zur rheologischen
Strukturierung enthalten. Das Fluid enthält einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht völlig gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet, während sich
ein Teil des Polymeren in einem teilweise hydratisierten Zustand
befindet. Das Fluid kann nach der Herstellung, ob in einem Gefäß, einer
Grabung oder auf eine andere Vor-Ort-Methode, mit einem löslichen
Hydroxid so behandelt werden, dass Amidgruppen zu Acrylatgruppen
hydrolysiert werden, was durch eine erhöhte Viskosität belegt
wird.
- 2e. Bei einer achtzehnten bevorzugten Ausführungsform wird ein anionisches
Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte von 3 % bis 90
% und einem Molekulargewicht von 100000 oder größer in Konzentrationen von
0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
zu Wasser zugesetzt. Das Fluid ent hält kationische Materialien
(z.B. Polyamin) und kann auch weitere Zusatzstoffe zur rheologischen
Strukturierung enthalten. Das Fluid enthält einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht vollständig gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet, während sich
ein Teil des Polymeren in einem teilweise hydratisierten Zustand
befindet. Das Fluid kann nach der Herstellung, ob in einem Gefäß, einer
Grabung oder durch eine andere Vor-Ort-Methode, mit einem Hydroxid
so behandelt werden, dass Amidgruppen zu Acrylatgruppen hydrolysiert
werden, was durch eine erhöhte
Viskosität
belegt wird. Nach einer solchen Hydrolyse wird dem System ein Puffer
wie Natriumbicarbonat, ein Phosphat oder eine Säure zugesetzt, um eine Hydrolyse
des Polymeren zu verlangsamen oder zu beenden.
- 2f. Bei einer neunzehnten bevorzugten Ausführungsform wird ein anionisches
Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte von 3 % bis 90
% und einem Molekulargewicht von 50000 oder größer in Konzentrationen von
0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder höher in Wasser unter Erzeugung
eines einphasigen Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
vollständig
gelöst.
Das Fluid wird mit einem kationischen Polyelektrolyten (z.B. einem
Polyamin) behandelt, der mit der anionischen kontinuierlichen Phase
unter Erzeugung von diskreten Massen oder Perlen in dem Fluid reagiert.
Das Fluid wird für
Grabungs-Bohr- oder
Tiefbohrarbeiten verwendet.
- 2g. Bei einer zwanzigsten bevorzugten Ausführungsform wird ein anionisches
Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte von 5 % bis 95
% und einem Molekulargewicht von 1 Million oder größer in Konzentrationen
von 0,1 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von größer als
28 zu Wasser zugesetzt. Das Fluid enthält einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht vollständig gelöst. Das
Fluid wird mit einem kationischen Polyelektrolyten (z.B. einem Polyamin)
behandelt, der mit der anionischen kontinuierlichen Phase und mit
den teilweise gelösten
Massen oder Perlen des anionischen Poly meren auf Acrylbasis unter Erzeugung
diskreter Massen oder Perlen in dem Fluid reagiert. Das Fluid wird
für Grabungs-,
Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet.
- 2h. Bei einer einundzwanzigsten bevorzugten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte
von 3 % bis 90 % und einem Molekulargewicht von 50000 oder größer in Konzentrationen
von 0,05 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines einphasigen
Fluides mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV) von 28 oder höher in Wasser
vollständig
gelöst.
Das Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet. Das Fluid wird
mit einem kationischen Material (z.B. einem Polyamin) behandelt,
das mit der anionischen kontinuierlichen Phase und mit suspendierten
Teilchen der Erdfeststoffe unter Agglomeration oder Komplexierung
der Erdfeststoffe zu Massen oder Netzwerken reagiert, die sich leichter
durch Schwerkraft absetzen oder aus der Grabung durch Anhaften an
Grabwerkzeuge entfernt werden können.
- 2i. Bei einer zweiundzwanzigsten bevorzugten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte
von 5 % bis 95 % und einem Molekulargewicht von 1 Million oder größer in Konzentrationen
von 0,1 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
Wasser zugesetzt. Das Fluid enthält
einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht vollständig gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet. Das Fluid wird
mit einem kationischen Polyelektrolyten (z.B. einem Polyamin) behandelt,
der mit der anionischen kontinuierlichen Phase, mit den teilweise
gelösten
Massen oder Perlen des anionischen Polymeren auf Acrylbasis und
mit suspendierten Teilchen von Erdfeststoffen unter Agglomeration
oder Komplexierung der Erdfeststoffe zu Massen oder Netzwerken reagiert,
die sich leichter durch Schwerkraft absetzen oder aus der Grabung
durch Anhaften an Grabwerkzeuge entfernt werden können.
- 2j. Bei einer dreiundzwanzigsten bevorzugten Ausführungsform
wird ein anionisches Polymeres auf Acrylbasis mit einer Ladungsdichte
von 5 % bis 95 % und einem Molekulargewicht von 1 Million oder größer in Konzentrationen
von 0,1 g/l (wirkungsbezogen) oder höher unter Erzeugung eines Fluides
mit einer Marsh-Trichter-Viskosität (MFV)
von 28 oder höher
Wasser zugesetzt. Das Fluid enthält
einige teilweise gelöste Teilchen
des Polymeren, d.h. das Polymere ist in dem Fluid nicht vollständig gelöst. Das
Fluid wird für
Grabungs-, Bohr- oder Tiefbohrarbeiten verwendet. Das Fluid wird
mit einem kationischen Material (z.B. einem Polyamin) behandelt,
das mit der anionischen kontinuierlichen Phase und mit den teilweise
gelösten
Massen oder Perlen des anionischen Polymeren auf Acrylbasis reagiert
und dem Fluid rheologische Struktur verleiht.
- 2k. Ebenfalls im Umfang der Erfindung liegt die Verwendung von
anderen anionischen Polymeren, wie veretherten Polysacchariden,
Gummen, Biopolymeren und Kombinationen hiervon (z.B. CMC, Carboxymethylstärke, verethertes
Guar, Xanthan) als Ersatz für
das Polymere auf Acrylbasis in den Ausführungsformen 2g, 2h, 2i und
2j vorstehend.
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Formulierung und
Verwendung von Erdboden-Stabilisierungsfluiden auf Polymerbasis
oder polymerhaltige Erdboden-Stabilisierungsfluide, die über einige
oder alle der folgenden Funktionen verfügen: Fluidverlustkontrolle,
Stabilisierung der Formation, die ausgegraben wird, verbesserte
Beladung und Entfernung von Erde mit Grabwerkzeugen und Zulassen
einer Entwicklung von hohen Beton-Formations-Reibungskoeffizienten. Die Verfahren
können
bei Tiefbauarbeiten, Grabungen und Tiefbohrungen unter Verwendung
eines Erdboden-Stabilisierungsfluids oder eines Bohrfluides in einem
vertikalen, gewinkelten oder horizontalen Bohrloch, Tunnel, Graben
oder in einer anderen Grabung angewandt werden.
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Obwohl
hier bestimmte ausführliche
Ausführungsformen
der Apparatur beschrieben worden sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die Erfindung nicht auf die Details der bevorzugten Ausführungsform
begrenzt ist. Viele Änderungen
in Aufbau, Konfiguration und Dimensionen sind ohne Abweichung von
Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung möglich.
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BEISPIELE
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Laborbeispiel 1
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In
einer an der Universität
von Houston durchgeführten
Studie wurden mehrere Aufschlämmungsmaterialien
hinsichtlich ihrer Fähigkeit
verglichen, Großpfahl-Modellgrabungen in
kohäsionsarmem
Sand für
die Dauer von 30 min., 4 h und 24 h vor Eingießen des Betons zu stabilisieren.
Zusätzlich
konzentrierte sich die Studie auf Qualität und Geometrie der fertigen,
vor Ort gegossenen Modell-Betonpfähle und
auf die Größe der Umfangsscherkraft,
die der Pfahl nach dem Aushärten
entwickelte. Die getesteten Materialien umfassten (1) Super MudTM, eine 30%ige anionische Polyacrylamid-Emulsion
von Industriestandard mit einem wirksamen Polymergehalt von ungefähr 30 %
(ein Produkt der Firma Polymer Drilling Systems, Co.); (2) Attapulgit,
ein bearbeitetes Tonmineral; (3) Bentonit, ein bearbeitetes Tonmineral;
(4) SlurryPro® CDPTM, ein erfindungsgemäß verwendetes synthetisches "Trockenvinyl"-Polymeres und (5)
SlurryPro LSCTM, ein erfindungsgemäß verwendetes
Emulsions-basiertes, synthetisches Vinylpolymeres. Die SlurryPro-Polymeren
(4 und 5) sind handelsübliche
Produkte der Firma KB Technologies Ltd. ("KB").
KB gibt an, dass ihre SlurryPro-Polymere unter scherkraftarmen Bedingungen
unter Verwendung eines Mischers vom Typ Lightnin'® mit einem Paddelrührer, der
bei 500 U/min. 20 min. lang betrieben wird, gemischt werden. KB
rät ferner,
dass die bevorzugte, empfohlene Dosis für eine optimale Gesamtleistung
1 g wirksames Polymeres pro Liter Wasser beträgt und schlägt vor, 2 g wirksames Polymeres
pro Liter Wasser zu testen sowie die Kohäsion in den Seitenwänden der
Grabung zu erhöhen
und einen Druckübertragungswagen
bzw. ein Druckübertragungsvehikel
zu entwickeln. Als schlechteste Dosierung zur Sichtbarmachung der
Wirkungen, was nach KB eine unzureichende Polymerdosierung ist,
wurde auch eine Konzentration von 0,5 g/l getestet. Der füh rende Lieferant
für Polyacrylamid
der US-Tiefliauindustrie riet der University of Houston sein Produkt,
Super MudTM, in einer Dosierung von 1 Teil Emulsionspolymerem
auf 800 Teile Wasser, oder etwa 0,375 g wirksames Polymeres pro
Liter, mit einem Hamilton-Beach-Hochgeschwindigkeitsmischer 30 min.
zu mischen. Dies ist die vom Lieferanten des Polymeren für praktisch
sämtliche
Anwendungen, außer
trockenem Sand oder Kies, empfohlene Standarddosierungsrate. Auf
der Basis der viel höheren,
für dieses
Testprogramm von KB empfohlenen Polymerdosen und da man die Wirkungen
höherer
Super Mud-Dosen als die von seinem Hersteller vorgeschlagenen Super
Mud-Dosen feststellen wollte, testete die University of Houston
zum Vergleich auch dieses Emulsionspolyacrylamid in den zweifachen
und vierfachen Dosen der vom Lieferanten empfohlenen Dosierung (0,75
und 1,5 g/l, wirkungsbezogen, oder 1/400 und 1/200 Vol./Vol., wie
geliefert). Der als 7 beigefügte Graph zeigt die von der
University of Houston erhaltenen Ergebnisse der Marsh-Trichter-Viskosität. Diese
Daten zeigen, dass das herkömmliche
Emulsionspolyacrylamid bei Verwendung gemäß der bisherigen Technik des
Produktlieferanten auch bei sehr hohen Dosierungen keine Viskositäten von
höher als
43 sec pro Quart zu entwickeln vermag.
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Nach
Herstellung der vier oben beschriebenen Aufschlämmungstypen wurde ein Modell-Erdbohrer zum
Bohren von Löchern
unter den Aufschlämmungen
in sandigen Erdboden, der in einer triaxialen Zelle enthalten war,
verwendet. Ein Minimum von drei Modellpfählen pro Variable (Aufschlämmungstyp,
Aufschlämmungskonzentration
und Expositionsdauer vor Eingießen
von Beton) wurde errichtet und getestet. Die 5, 6 und 8 zeigen
den Betrag der entwickelten Umfangsscherkraft in Abhängigkeit
von der Dosierung und der offenen Zeit der Grabung. Diese Information
zeigt eindeutig, dass die Viskosität ebenso wie die Polymer/Erdboden-Struktuierung
oder Adhäsion
in den Grabungs-Seitenwänden
für die
Langzeitstabilisierung und verbesserte Umfangsscherkraftentwicklung
sehr wichtig ist. Von allen getesteten Materialien verhielten sich die
KB-SlurryPro-Polymeren
sowohl bei der Grabungsstabilisierung als auch der Umfangsscherkraftentwicklung
wesentlich besser als sämtliche
anderen Aufschlämmungstypen.
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Die
vielleicht bedeutendste, aus diesem Forschungsprogramm hervorgehende
Information war die Tatsache, dass Polyacrylamid-Aufschlämmungen
bei Verwendung gemäß der empfohlenen
Standard-Praxis vom Stand der Technik hinsichtlich der Stabilisierung
der Grabungen, Kontrolle des Fluidverlustes, Errichtung geometrisch
exakter, vor Ort gegossener Pfähle
und hinsichtlich des Zulassens einer Entwicklung von hoher Umfangsscherkraft
schlechte Ergebnisse lieferten. Nur wenn das Polyacrylamid bei einer
Dosierungsrate von 200 bis 400 % der in der bisherigen Technik empfohlenen
Dosierung verwendet wurde, erfolgte eine Annäherung an die Leistung der
neueren Polymere und Verfahren der KB-Technologie, wie in dieser Patentschrift
beschrieben. Die zu ziehende Schlussfolgerung lautet, dass die Polyacrylamide
in der bisherigen Technik in unzureichenden Konzentrationen und
Viskositäten
eingesetzt wurden.
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Umfassendere
Informationen können
in der Veröffentlichung
Nr. UHCE 93-1 der University of Houston, Department of Civil Engineering
mit dem Titel Effect of Mineral and Polymer Slurries on Perimeter
Load Transfer in Drilled Shafts, veröffentlicht im Januar 1993,
erhalten werden.
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Laborbeispiel 2
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Eine
Studie zum Fluidverlust wurde unter Verwendung einer 500 cc-Filtrationszelle
durchgeführt,
in der interne Drücke
kontrolliert werden konnten und die eine auswechselbare gebundene
körnige
Aloxitscheibe verwendete, die auf spezifische Darcy-Permeabilitätswerte
(z.B. 20 Darcy, 50 Darcy und 110 Darcy) kalibriert war. Die nominalen
mittleren Porendurchmesser wurden ebenfalls für einige der Scheiben festgelegt
(z.B. 60 Mikron für
die 20-Darcy-Scheiben). Bei dieser Studie wurden Polymeraufschlämmungen,
die eine kontinuierliche und eine diskontinuierliche Phase enthielten,
mit Polymeraufschlämmungen
mit nur einer kontinuierlichen Phase und mit Bentonit-Aufschlämmungen
mit einem Ladungsdruck von entweder 5 psi oder 10 psi verglichen.
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Laborbeispiel 3
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Eine
Studie zur Feststoffentfernung wurde unter Verwendung von Polymeraufschlämmungen
durchgeführt,
die mit Houston-Erdboden verunreinigt waren, der von außerhalb
des Labors entnommen wurde. Jede Aufschlämmung wurde durch Mischen auf
einem Lightnin'-Mischer
mit einem Rührer
vom Paddel-Typ hergestellt. Zunächst
wurde 1 l Wasser in ein Becherglas gegeben und bei 500 U/min. gerührt. Dem
Wasser wurden 40 g Houston-Erdboden zugesetzt und dispergiert. Zu
diesem Wasser-Erdboden-Gemisch wurden 0,3 g, 0,6 g, 1,0 g und 1,5
g SlurryPro® CDPTM- und Super Mud®-Polymeres,
bezüglich
einer wirksamen Gewichtsbasis, zugesetzt und 30 min. gemischt. Nach
dem Mischen für
30 min. wurden die mit dem Erdboden-verunreinigten Aufschlämmungen
in graduierte 2,0 1-Messzylinder übergeführt. Dem graduierten Zylinder
wurden Polyamin, Polyacrylamid in Form von Quick FlocTM-Emulsion
von der Firma Polymer Drilling Systems Company und PolyDADMAC zugesetzt.
Das Polyamin und PolyDADMAC wurden auf 5%ige Lösungen verdünnt. Quick Floc wurde gemäß den Angaben
des Lieferanten der Aufschlämmung
in konzentrierter Form direkt zugesetzt. Bei allen Proben mit Marsh-Trichter-Viskositäten über 45 sec
pro Quart führte
das Quick Floc-Polyacrylamid auch bei erhöhten Dosen zu keiner erkennbaren
Ausflockung. Die verwendeten Dosen reichten von 0,5 cc bis 10,0 cc.
Quick Floc zeigte das beste Verhalten bei den Aufschlämmungsproben
mit MF-Viskositäten von
unter 40 sec pro Quart. Zugaben zwischen 1,5 cc und 5,0 cc pro Liter
erzeugten lockere oder flaumige kleine Agglomerate von geringer
Dichte, die aus der Aufschlämmung
schwer mit einem Löffel
entfernbar waren. Nach mehreren Versuchen, das ausgeflockte Material
mit einem Löffel
aufzunehmen, verblieben in der Aufschlämmung nennenswerte Mengen an
Feststoffen.
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Das
Polyamin und die PolyDADMAC-Lösungen
zeigten ihre Wirkung in allen Fällen
und mit jedem Typ von Polymeraufschlämmung. Eine Ungereimtheit,
die bei mit niedrigen Polymer-Dosen hergestellten Polymeraufschlämmungen
festgestellte wurde, bestand darin, dass durch die Zugabe beider
dieser Materialien (Polyamin oder PolyDADMAC) die MF-Viskosität deutlich
vermindert wurde. In den Proben mit 1,0 und 1,5 g Polymerem waren
die beiden kationischen Lösungspolymere
beim Reinigen jeder Aufschlämmung
von praktisch allen mitgeschleppten Erdböden mit geringer oder keiner
Auswirkung auf die Marsh-Trichter-Viskosität allerdings sehr wirksam.
Die verwendeten Dosierungen reichten von 0,5 cc bis 10,0 cc der
5%igen Lösungen
pro Liter Polymerfluid. Zugaben zwischen 2,0 cc und 5,0 cc zeigten
anscheinend in den höherviskosen
Fluiden ihre beste Wirkung. Der mitgeschleppte Erdboden haftete
sehr schnell an der kationischen/anionischen Polymerstruktur unter
Bildung einer kontinuierlichen Masse von agglomeriertem Erdboden,
der mit einem Löffel
leicht aus der Aufschlämmung
entfernt wurde. Das Polymer/Erdboden-Agglomerat zeigte tatsächlich ein
starkes Bestreben, sich in großer
Masse beim Drehen des Löffels
um den Löffel
zu wickeln und anzuheften. Sämtliche mit
dem Polyamin und dem PolyDAD-MAC
behandelten Aufschlämmungen
wurden durch ein- bis dreimaliges Hindurchziehen des Löffels vollständig von
mitgeschlepptem Erdboden gereinigt.
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Feldbeispiel 1
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Eine
erfindungsgemäß verwendete
trockene körnige
wasserlösliche
Polymeraufschlämmung
wurde in einem Feldtest in Seattle, Washington, getestet. Bei dem
Feldtest wurden über
20 Grundpfähle
als Fundament für
ein Gebäude
gebohrt. Das neue trockene Polymere zeigte im Vergleich zu einem
kontinuierlichen Öl-phasen-Emulsionspolymeren
von Industriestandard mit einer mittleren Ladungsdichte von 30 %
Anionen, das bisher verwendet wurde, eine sehr gute Leistung und
zeigte Vorteile bei der Kontrolle des Fluidverlustes an das Bohrloch,
Reinigung des Loches und Beladung des Erdbohrers, Vereinfachung
der Polymerhandhabung und -zugabe, Erhöhung der Bohreffizienz und
Verminderung von Polymerabfall und Umwelteinflüssen. Die erste Anwendung des
Polymeren war erfolgreich und zeigt, dass das neue trockene Polymere
ein wertvolles neues Werkzeug in der Tiefbauindustrie sein kann.
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Kleine
Mengen von einem erfindungsgemäß verwendeten
trockenen körnigen
Polymeren, CDP-Feststoff (nun im Handel als SlurryPro CDP bezeichnet)
und eines erfindungsgemäßen flüssigen Emulsionsanalogons,
CDP-Flüssigkeit,
wurden bereitgestellt. Von 14 Grundpfahl-Löchern wurden neun mit dem neuen
trockenen Polymeren, CDP-Feststoff, drei mit dem flüssigen Analogon,
CDP-Flüssigkeit,
gebohrt, und zwei wurden mit dem 30%igen anionischen PHPA-Emulsionspolymeren
von Industriestandard gebohrt.
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Die
mit den aus den drei verschiedenen Polymeren hergestellten Aufschlämmungen
gebohrten Grundpfahl-Löcher
reichten im Durchmesser von 30 Inch („Zoll") bis 42 Inch und in der Tiefe von 28
Fuß bis 42
Fuß. Die
Formation war Gletschermoräne,
kaum strukturiert, mit Linsen von Sand, Schichten von siltigem, tonigem
Sand und sandigem Silt mit Kieselsteinen und Kies. In verschiedenen
Tiefen stieß man
in den Bohrlöchern
auf Wasser, und in einigen Löchern
wurden starke Wasserströmungen
angetroffen. Ein Loch war ein wieder ausgebohrter oder ausgeräumter Wasserbrunnen,
der bereits auf dem Grundstück
gebohrt worden war, um den Wasserspiegel vor Ort zu senken.
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Der
Vergleichstest zeigte, dass die erfindungsgemäß verwendeten Polymere im Vergleich
zu dem herkömmlichen
Emulsionspolymeren vorteilhaft waren, wobei die trockene erfindungsgemäß verwendete
Form im Hinblick auf eine leichte Verwendung Vorteile zeigte. Die
Vorteile umfassten: überragende
Kontrolle des Fluidverlustes an das Bohrloch; leichtere Verwendbarkeit
durch die Bohrmannschaft; verminderter Produktbedarf [das trockene
Polymere ersetzt die herkömmliche
Polymeremulsion im Verhältnis
von 1:6]; weniger Abfall; erhöhte
Penetrationsrate; verbesserte Kohäsionsbeladung des Grabwerkzeugs
mit gebohrten Erdfeststoffen und weniger Umweltverschmutzung.
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Feldbeispiel 2
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In
dem gleichen, oben beschriebenen Feldtest in Seattle, Washington,
wurden drei der über
zwanzig Grundpfähle
mit einem herkömmlichen
PHPA-Emulsionspolymeren
mit kontinuierlicher Ölphase
von Industriestandard mit einer mittleren Ladungsdichte von 30 %
Anionen (als SuperMud
a im Handel) gebohrt, und
weitere drei wurden mit CDP-Flüssigkeit
(nun im Handel als SlurryPro LSC bezeichnet) gebohrt. SlurryPro
LSC zeigte wesentlich bessere Viskositätsaufbaufähigkeiten als das herkömmliche
Emulsionspolymere. Gleiche Dosen eines jeden Polymeren bei der Konzentration
von 1 Teil Polymerem auf 200 Teile Wasser ergaben die folgenden
Marsh-Trichter-Viskositäten:
SlurryPro
LSC | 64
sec/Quart |
herkömmliches
Polymeres | 42
sec/Quart |
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Anschließend fügten wir
zu 400 Teilen der Polymeraufschlämmung,
wie vorstehend hergestellt, einen weiteren Teil Polymeres hinzu.
Wir mischten die Aufschlämmungen
30 min. lang und erhielten die folgenden Marsh-Trichter-Viskositäten:
SlurryPro
LSC | 88
sec/Quart |
herkömmliches
Polymeres | 53
sec/Quart |
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Beim
Bohren dieser sechs Löcher
mit den höherviskosen
Aufschlämmungen
waren wir nicht in der Lage, mit den herkömmlichen PHPA-Emulsionspolymeren
Feststoffe auf einem Erdbohrer zu halten und mussten einen Bohreimer
verwenden. Wir bohrten jedes der drei SlurryPro LSC-Löcher unter
Verwendung eines Erdbohrers erfolgreich. Der Erdbohrer war bei jedem
Aushub voll mit Erdfeststoffen beladen. Zusätzlich verbrauchten die LSC-Löcher weniger
Beton-Überlauf
im Vergleich zu den PHPA-Emulsionspolymerlöchern. Dieser Unterschied im
Beton-Überlauf
lag im Durchschnitt bei 9 % in den LSC-Löchern im Vergleich zu einem Durchschnitt
von 17,5 % in den Emulsions-PHPA-Polymer-Löchern. Dies zeigte, dass mit
LSC auf Grund der sich in der Grabungsseitenwand bildenden Erdboden/Polymer-Matrix
ein stabileres Loch erzeugt wurde. Die erhöhte Erdbindungsfähigkeit
von LSC bei dieser höheren
Viskosität
zeigte sich auch durch die erfolgreiche Verwendung des Erdbohrers
zur Fertigstellung aller drei Grabungen.
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Feldbeispiel 3
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In
einem in Owensboro, KY, durchgeführten
Feldtest gestattete das Kentucky Transportation Cabinet und die
FHWA sämtliche
Tests der Firma KB Technologies und überwachte sie hinsichtlich
der Errichtung zweier identischer Bohrschächte (vor Ort gegossene Betonpfähle) an
derselben Stelle. Diese Löcher
wurden in ihren Dimensionen vermessen und auch Belastungs-getestet.
Das erste Loch wurde unter Verwendung von SlurryPro CDP einer mittleren
Viskosität
von 40 gebohrt. Das zweite Loch wurde unter Verwendung von CDP einer
mittleren Viskosität
von 55 gebohrt. Die Formation war ein sehr wasserempfindlicher verwitterter
Schiefer. Sowohl die Dimensionsmessungen als auch die Belastungstests
zeigten klar die Vorteile der erhöhten Viskosität und Polymerkonzentration,
die in dem zweiten Loch eingesetzt wurden. Das mit dem höherviskosen Fluid
gebohrte Loch wies eine wesentlich bessere Seitenwandstabilität und Tiefe,
wie aus den Dimensionsmessungen ersichtlich, und wesentlich höhere Umfangsscherkraft-Ergebnisse auf, wie
gesehen in den Belastungstests. Die Ergebnisse der durchgeführten Tests
sind graphisch in den 9, 10 und 19 dieser
Anmeldung dargestellt.
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Feldbeispiel 4
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In
einer in der Hyperion-Abfallaufarbeitungsanlage in Los Angeles,
Kalifornien, durchgeführten
Studie, bohrte ein Unternehmer unter Verwendung des herkömmlichen
Emulsions-PHPA-Polymeren (Super Mud) mehr als 100 Grundpfahllöcher. Anschließend wurden
am gleichen Ort unter Verwendung von SlurryPro CDP, mehr als 60
Löcher
gebohrt. Die Erdbodenbedingungen waren köhäsionsloser Sand mit einem Grundwasserspiegel
bei ungefähr
minus 40 Fuß.
Der Ort lag im Bereich von einigen 100 Yards am Pazifischen Ozean,
wodurch das Grundwasser brackig war. In den ungefähr 100,
mit dem herkömmlichen
Emulsions-PHPA-Polymeren
gebohrten Schächten
traten sehr hohe Fluidverlustraten mit den damit zusammenhängenden
Problemen der schlechten Bohrlochstabilität auf. Jedes Bohrloch erforderte
ungefähr
das 5,7fache seines nominalen Volumens an Aufschlämmung, da
die Polymeraufschlämmung
während
des gesamten Bohrpro zesses mit hohen Geschwindigkeiten in dem losen
Sand versickerte. Der Unternehmer entschied sich, für den Rest
des Projektes mit SlurryPro CDP formulierte Fluide nach den Techniken
der Firma KB Technologies zu verwenden, um eine Verbesserung der
Produktivität
und Leistung zu versuchen. Während
der Dauer der Grabung mit dem herkömmlichen PHPA-Emulsionspolymeren
stellte der Unternehmer deutlich höhere Beton-Überläufe sowie mehrere eingefallene
Löcher
fest. Der Unternehmer verwendete die Aufschlämmung mit einer Marsh-Trichter-Viskosität von ungefähr 48 und
dosierte das Polymere mit einer Rate von 1 Teil PHPA auf 200 Teile
Wasser. Das Polymere wurde in dem Wasser unter Verwendung einer "Spritzpistole", die vom PHPA-Lieferanten
geliefert wurde, vorgemischt. Die verminderte Viskositätsentwicklung
zeigte, dass das Salzwasser die Viskositätsentwicklung des PHPA-Polymeren
unterdrückte.
Sämtliche
PHPA-Polymerlöcher mussten
mit Grabeimern statt mit einem Erdbohrer gebohrt werden, da der
Sand nicht auf dem Erdbohrer verblieb.
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Verwendete
der Unternehmer statt dessen SlurryPro CDP-Aufschlämmung, stieg
die Marsh-Trichter-Viskosität
auf ungefähr
95 sec an, und ein Erdbohrer wurde erfolgreich zum Graben sämtlicher
Löcher
eingesetzt. Das CDP-Polymere wurde der Grabungsöffnung direkt mit einem Wasserstrom
zugesetzt. Die Erdbohrer-Beladungen
waren schwer, und bei dem größten Teil
der Entnahmen des ausgegrabenen Sands waren nur außen einige
wenige Millimeter von der Aufschlämmung durchdrungen. Im Inneren
der äußeren Polymer/Erdbodenschicht
war der Sand trocken oder durch natürlich auftretendes Wasser nass.
Zusätzlich
zu den verbesserten Grabungsgeschwindigkeiten war der Fluidverlust
im Vergleich zu den mit der herkömmlichen
PHPA-Polymeraufschlämmung
gebohrten Löchern
wesentlich geringer. Der Bedarf an Grabungsfluid fiel von 5,7 Lochvolumina
pro Loch auf 1,4 Lochvolumina, und die Lochstabilität war stark
verbessert. Dies war ein direktes Ergebnis der erhöhten Viskosität der CDP-Aufschlämmung und
der Gelmassen und des hochviskosen Polymerfluides, das die Grabungs-Seitenwände wirksam
verschloss und eine durchdrungene Zone von verminderter hydraulischer
Leitfähigkeit
an der Erdboden/Grabungsgrenzfläche,
d.h. eine Druckübertra gungszone,
aufbaute. Auch der Betonverbrauch in den CDP-Schächten verringerte sich signifikant
auf nicht mehr als 10 % der nominalen Abmessungen.
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Feldbeispiel 5
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In
einer am Mission Valley Viaduct in San Diego, CA, unter der Aufsicht
von Caltrans durchgeführten Feldstudie
wurden mehrere Grundpfähle
errichtet. Die Bodenbedingungen bestanden aus einem kohäsionsarmen
Sand/Silt bis zu Kieselsteinen/Sand bis Sand/Ton. Die Löcher wurden
mit einem SlurryPro CDP-Fluid mit einer mittleren Marsh-Trichter-Viskosität von 75
sec pro Quart begonnen. Der pH-Wert der Aufschlämmung betrug ungefähr 7,0,
wie gemessen mit pH-Farbstreifen.
Ein Erdbohrer wurde zum Bohren des Bohrlochs eingesetzt. In einer
Tiefe von ungefähr
42 Fuß wurde
in eine wassergesättigte
Kieselstein/Sandschicht eingedrungen. Bei 42 bis 45 Fuß verringerte
sich die Erdladung auf dem Erdbohrer wesentlich und war nasser.
Es war praktisch offensichtlich, dass die Aufschlämmungsviskosität deutlich
herabgesetzt war. Aus einer Tiefe von ungefähr 44 Fuß wurde eine Aufschlämmungsprobe
entnommen. Die Marsh-Trichter-Viskosität der Probe
war auf 36 sec pro Quart gefallen. Der Härtetest auf Calcium und Magnesium
bestätigte,
dass das Wasser sehr hart war, da beide Werte über 1000 ppm lagen. Anschließend wurde
auf Chloride geprüft,
und es wurde festgestellt, dass sie über 10000 ppm lagen. Dies zeigte,
dass wir uns in einem Salzgrundwasserspiegel befanden. Die Grabung
wies einen Durchmesser von 48 Inch auf und war ungefähr 45 Fuß tief.
Der Grabung wurde direkt ein 5 Gallonen-Eimer einer 50%igen Natriumhydroxidlösung zugesetzt,
und die Aufschlämmung
in der Grabung wurde unter Verwendung eines Erdbohrer gerührt. Der
pH-Wert wurde erneut überprüft, und
es wurde festgestellt, dass er unter Verwendung von pH-Farbstreifen
ungefähr
11,0 betrug. Innerhalb von 2 bis 3 min. der Zugabe des kaustischen
Materials erholte sich die Aufschlämmungsviskosität wesentlich
und belief sich nun auf eine Marsh-Trichter-Viskosität von 71
sec pro Quart. 150 Pound Natriumbicarbonat wurden anschließend zur
Pufferung des Systems sowie zur Komplexierung restlichen Calciums
zugesetzt. Nach Zugabe des Bicarbonats fiel der pH-Wert auf 10,0,
und die Viskosität
erhöhte
sich auf 81 sec pro Quart.
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Diese
Erholung der Aufschlämmungsviskosität ohne Zugabe
von zusätzlichem
SlurryPro CDP zeigt direkt, dass die Verwendung von Hydroxyl nicht
nur freie vorhandene Kationen komplexierte, sondern zeigt auch,
dass Hydroxyl Kationen von den Carboxylgruppen abzieht und sie zur
Wiederverwendung freisetzt und dass es auch existierende Amidgruppen
in situ zu Carboxylgruppen hydrolysiert. Diese Hydrolyse wird gestoppt
durch Zugabe entweder einer schwachen Säure oder mehr bevorzugt durch
Zugabe von Natriumbicarbonat, welches (1) überschüssige Hydroxylgruppen zu Wasser
neutralisiert und (2) jedes freie Calcium unterhalb von einem pH
von 10,7 ausfällt,
da es aus der Hydroxylform freigesetzt wird. Diese gleiche Vorgehensweise
wurde mit vollem Erfolg auf alle weiteren Löcher angewandt.
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Feldbeispiel 6
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In
einer am Hwy. 10 an der Stelle der Polizeistation in New Orleans,
LA, unter der Aufsicht des Louisiana Department of Transportation
und der FHWA durchgeführten
Feldstudie wurde ein einziger Testpfahl errichtet und die Belastung
unter Verwendung von SlurryPro CDP getestet. Die Bodenbedingungen
bestanden aus kohäsionslosem
Sand mit kalkhaltigen marinen Schalenfragmenten bis ungefähr 32 Fuß, gefolgt
von marinem Ton/Sand. Der Grundwasserspiegel lag 4 Fuß unter
der Oberfläche.
Das zugesetzte Wasser war weich und von guter Qualität, da es
städtisches
Trinkwasser war. Die Grabung (ungefähr 36 Inch im Durchmesser) wurde
mit Wasser begonnen, und SlurryPro CDP wurde der Grabung direkt
zugesetzt. Bei 10 Fuß Tiefe
wurden die ersten Härte-
und Salzhaltigkeitstests durchgeführt, wobei sich hohe Konzentrationen
von Calcium (über
700 ppm) und wesentliche Mengen an freiem Eisen (über 250
ppm) zeigten. Dies zeigte, dass das Grundwasser mit diesen Elementen
verunreinigt war. Der Aufschlämmungs-pH
in der Grabung betrug 6,5. Die Grabungsfluid-Marsh-Trichter-Viskosität betrug
51 sec pro Quart bei einer Dosierungsrate von 1,5 kg pro m3 (1,5 g/l). Dies lag weit unterhalb der
erwarteten Viskosität
dieser Dosis, und das Viskositätsdefizit
wurde der Calcium- und Eisenverunreinigung aus dem Grundwasser zugeschrieben.
Ungefähr
300 Milliliter (ml) einer 50%igen Natriumhydroxidlösung wurden
zu unge fähr
500 Gallonen Aufschlämmung
in dem Loch gegeben, und die Aufschlämmung wurde mit dem Erdbohrer
vermischt, wobei der pH auf 11,5 anstieg. Nach einigen Minuten wurden
20 Pound Natriumbicarbonat zugesetzt, um (1) sämtliche verbleibende Hydroxylgruppen
zu neutralisieren, den pH-Wert zu senken und die Hydrolyse der Amidgruppen
zu Carboxylgruppen zu stoppen und (2) sämtliches vorhandenes freies
Calcium bei fallendem pH-Wert auszufällen. Die Aufschlämmungsviskosität sprang
von 51 sec pro Quart auf 83 sec pro Quart, was die Revitalisierung
von Carboxylgruppen durch diese Behandlung bestätigte. Alkali und Bicarbonat
wurden abwechselnd während
des Grabungsprozesses zugesetzt, um zu gewährleisten, dass die gesamte
Härte komplexiert
oder ausgefällt
wurde, und um die Amidgruppen zu hydrolysieren und/oder die Carboxylgruppen,
die Verunreinigungen enthielten, unter Maximierung der Polymerviskosität zu reaktivieren.
Für den
Rest der Grabung wurde SlurryPro CDP in einer Konzentration von 1,3
kg pro m3 mit einer mittleren Marsh-Trichter-Viskosität von 96
sec pro Quart verwendet. Das Loch wurde bis zu einer Gesamttiefe
von etwa 60 Fuß gebohrt.
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Das
Loch musste über
Nacht gehalten werden, da die Belastungstestapparatur nicht am ersten
Tag ankam. Die Viskosität
wurde vor Verlassen des Lochs am Abend auf 112 sec pro Quart erhöht. Bei
der Rückkehr
am nächsten
Morgen war das Loch sehr stabil, und der Fluidverlust über Nacht
betrug nur etwa zwei vertikale Fuß. Die Grabungstiefe war am
selben Punkt wie am Tag zuvor, was anzeigte, dass eine perfekte
Lochstabilität
ohne Einsturz oder Versumpfung gegeben war. Säuberungsarbeiten wurden durchgeführt, und
aus dem Loch wurden von unten Proben entnommen. Die getestete Aufschlämmung wies
113 sec pro Quart auf, und der Sandgehalt betrug ungefähr 1 %.
Anschließend
wurde durch die Aufschlämmung
Beton eingebracht, und es wurde eine sehr saubere Grenzfläche festgestellt,
als der Beton an die Oberfläche
stieg. Der Betonverbrauch lag nur 6 % über dem theoretischen Volumen,
was ein sehr gut abgemessenes Loch anzeigte. Die Belastungstests
zeigten, dass der Pfahl die erwarteten Umfangsscherkraft-Ergebnisse wesentlich überschritt, was
anzeigte, dass der Pfahl eine wesentlich höhere Tragfähigkeit aufwies als Pfähle, die
mit Bentonit oder dem herkömmlichen
Emulsions-PHPA gebohrt wurden.
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Feldbeispiel 7
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In
einer auf einer Fernstraße
in Ocala, FL, unter der Aufsicht von Ocala Power & Lightning durchgeführten Feldstudie
wurden zwei Schächte
mit 108 Inch Umfang errichtet. Ein Schacht wurde mit dem herkömmlichen
Emulsions-PHPA-Polymeren
begonnen. In einer Tiefe von 21 Fuß wurde festgestellt, dass
das Loch instabil war, und die Baufirma stellte einen gravierenden
Fluidverlust fest. Das Loch konnte nicht mit Aufschlämmung gefüllt gehalten
werden. Neun 5 Gallonen-Eimer des herkömmlichen Emulsions-PHPA-Polymeren
waren zusammen mit 250 Pound Natriumcarbonat zugesetzt worden, um
sämtliches
vorhandenes Calcium auszufällen
und um den pH-Wert zu erhöhen.
Die Fluidviskosität
lag bei 34 sec pro Quart mit einem pH von 11,0. Ein Bohreimer wurde
während
der gesamten Grabung verwendet, da die Feststoffe nicht auf einem
Erdbohrer gehalten werden konnten.
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Anschließend wurde
KB unter Anwendung der erfindungsgemäßen Materialien und Methoden
um Unterstützung
bei der Sicherung des Schaftes gebeten. Zunächst setzte KB 7 Gallonen einer
50%igen Natriumhydroxidlösung
ein, was den pH-Wert nicht messbar änderte, allerdings die Viskosität von 34
auf 68 sec pro Quart erhöhte
(es wurde kein zusätzliches
Polymeres zugefügt).
Dann wurden 100 Pound Natriumbicarbonat zur Verlangsamung oder zum
Stoppen jeder weiteren Hydrolyse des Polymeren und zur Verminderung
des pH-Wertes auf 10, 0 zugesetzt. 15 Pound SlurryPro CDP wurden
sodann mit Wasser zugesetzt und das Loch stabilisiert, und das Aufschlämmungsniveau
stieg bis einige Fuß unter
den Rand der Grabung. Das Loch wurde anschließend erfolgreich mit CDP und
kleinen zusätzlichen
Mengen von Alkali und Bicarbonat bis zu einer Tiefe von 58 Fuß fertig
gestellt. Der Bohreimer wurde auch durch einen Erdbohrer ersetzt,
was die Grabungsgeschwindigkeit wesentlich erhöhte und den Aufschlämmungs verbrauch
verminderte. Das Loch wurde über Nacht
gehalten und am nächsten
Morgen vor Beginn des zweiten Loches betoniert.
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Am
nächsten
Tag wurde ein Loch mit 108 Inch Durchmesser unter Verwendung von
SlurryPro CDP von Anfang an gebohrt. Alkali und Bicarbonat wurden
zur Einstellung des Aufschlämmungs-pH
auf 10 und zur Verminderung der Härte in der Aufschlämmung während des
Grabungsvorgangs verwendet. Das Loch wurde mit einer mittleren Marsh-Trichter-Viskosität von 72
gebohrt. Die Bodenbedingungen bestanden aus wasserempfindlichem
Ton/Sand und Muschelschalen. Das Loch wurde in 6 h mit einem Erdbohrer
bis zur Beendigung in 65 Fuß gebohrt.
Nach Beendigung war am Boden der Grabung ein Sandgehalt von 1,25
% vorhanden. Zwei Slugs zu je ungefähr 15 Ounce („Unze") KnockOutTM MA, einem kationischen Polyelektrolyten,
wurden der Grabung durch Eingießen
in einen Wasser-Transportstrom zugesetzt. Der Erdbohrer wurde unter
langsamer Rotation verwendet, um das Loch zu spülen. Mit dem Erdbohrer wurden
drei Durchgänge
durchgeführt.
Jeder Durchgang des Erdbohrers förderte
große
Feststoffladungen zu Tage, ohne dass der Erdbohrer in den Erdboden
gestoßen
wurde. Die Feststoffe wurden in der Fluidsäule suspendiert und setzten
sich in der Nähe
des Bodens ab, von wo sie offensichtlich von dem Erdbohrer auf Grund
des Netzwerkes mit kationischem Material angezogen wurden, wobei
der Erdbohrer als "Magnet" für die Erdfeststoffe
wirkte. Nach dem Spülen
des Loches veränderte
sich die Aufschlämmung
von trüb
grau (auf Grund der suspendierten Feinstoffe) zu fast wasserklar
im Aussehen. Der Sandgehalt am Boden des Loches hatte sich während der
drei Schnelldurchgänge ebenfalls
auf weniger als 0,2 % verringert. Anschließend wurde das Loch über Nacht
gelassen.
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Bei
der Rückkehr
am nächsten
Morgen wurde die Grabung erneut auf die Tiefe überprüft und auf 1/16 Inch der am
Abend zuvor festgestellten Tiefe gemessen. Das Loch wurde anschließend mit
6 % Überlauf
gespült,
was anzeigt, dass die Grabung praktisch dimensionsstabil war.
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Feldbeispiel 8
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An
einer Versuchsstelle in Jacksonville, NC, wurde unter Aufsicht des
North Carolina Department of Transportation eine Feldstudie durchgeführt. Bei
Ankunft an der Stelle wurde festgelegt, das zugesetzte Wasser von
einem Fluss unmittelbar stromaufwärts vom Ozean zu entnehmen,
das praktisch Meerwasser war. Alkali und Bicarbonat wurden zur Vorbehandlung
und zum Weichmachen des Meerwassers verwendet, allerdings hatten
wir kein Meerwasser vermutet und konnten die lösliche Härte nur auf ungefähr 1300
ppm vermindern. SlurryPro CDP wurde anschließend in einem 3000 Gallonen-Zuführtank mit
diesem behandelten Wasser vorgemischt und ergab bei einer Dosierungsrate
von 1,4 kg pro m3 eine Viskosität von 51
sec pro Quart. Auf Grund dieser niedrigeren, durch die kationischen
Verunreinigungen in dem Wasser verursachten Viskosität wurde
entschieden, dem CDP/Wasser-Vormischtank ein halbes Pint KobbleBlok,
ein kationisches Polymeres, zuzusetzen. Dies führte dazu, dass die Viskosität von 51
sec auf 101 sec pro Quart, wie gemessen durch den Marsh-Trichter,
anstieg. Diese Viskositätserhöhung zeigte
auf Grund der Zugabe des kationischen Polymeren eine deutliche Strukturierung
in der Aufschlämmung.
Zusätzlich
nahmen die Erdbohrerbeladungen wesentlich an Gewicht sowie die Grabung
an Stabilität
zu.
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Feldbeispiel 9
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In
einer an einer Versuchsstelle in Scottsdale, AZ, unter der Aufsicht
der Firma Barnard Construction Company durchgeführten Feldstudie wurden ein
erfindungsgemäß verwendetes
Polymeres bei der Aufschlämmungs-Grabung
eines Grabens in einem feinkörnigen
Silt/Sand/Kieselsteinboden und ein erfindungsgemäß verwendetes Verfahren unter
Erhalt erfolgreicher Ergebnisse eingesetzt. Nachdem zunächst ein
Emulsions-PHPA (E-Z Mud®, geliefert von der Firma
Baroid Corporation) ohne Erfolg getestet wurde, wurden ein trockenes
erfindungsgemäß verwendetes
Polyacrylamid und ein erfindungsgemäßes Applikationsverfahren eingesetzt.
Während
das Emulsionspolymere, ausgewählt
und angewandt nach dem bisherigen Kenntnisstand, einen übermäßigen Fluidverlust
zuließ und
bei der Stabilisierung des Erdbodens versagte, lieferte das trockene
PHPA, aus gewählt
und angewandt nach dem Kenntnisstand der Erfindung, eine gute Leistung.
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Obwohl
hierin besonders genaue Ausführungsformen
der Apparatur beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die
Erfindung nicht auf die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform
beschränkt
ist. Viele Änderungen
im Design, der Konfiguration und Dimensionen sind möglich, ohne
vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen