DE69636045T2

DE69636045T2 - Polymere, flüssige Erdverfestigungszusammensetzung und Verfahren zu deren Gebrauch

Info

Publication number: DE69636045T2
Application number: DE69636045T
Authority: DE
Inventors: Jr. K. Gifford Spring Goodhue; Max M. San Miguel de Allende Holmes
Original assignee: KB TECHNOLOGIES Ltd SPRING; KB Technologies Ltd
Current assignee: KB INTERNATIONAL,LLC,, CHATTANOOGA, TENN., US
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2016-01-20
Also published as: DE69636045D1; JPH10513491A; WO1996023849A1; DK0807151T3; EP0807151A1; DE69609814T2; ES2151148T3; ATE195546T1; US5663123A; PT997515E; EP0807151B1; PT807151E; AU692368B2; ES2263247T3; ATE323143T1; EP0997515B1; EP0997515A1; AU4901596A; DE69609814D1; CA2212031A1

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
2 ist ein Diagramm und zeigt einen Vergleich der Viskositätsentwicklungswirksamkeit unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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.
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.
5 ist eine graphische Darstellung der Peak-Werte des Umfangsreibungs/Seitendruckes bei Extraktionstests von Feinsandproben, die unter CDP-Aufschlämmungen gebohrt wurden.
6 ist eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Umfangsbelastungsübertragungskoeffizienten verschiedener Materialien.
7 ist eine graphische Darstellung der Viskositätsentwicklungswirksamkeit von CDP im Vergleich zu Emulsions-PHPA bei hohen Dosierungsbereichen.
8 ist eine graphische Darstellung eines Vergleichs der mittleren normierten Umfangsscherkraft für eine Kontaktzeit von 24 h.
Die 9 und 10 sind graphische Darstellungen von Bohrlochprofilen für Pfahllöcher, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide gebohrt wurden.
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.
Die 12, 13 und 14 sind graphische Darstellungen der "Oberflächenreibungsentwicklung" und der Filtrationskontrolleffekte für unter Verwendung der erfindungsgemäßen Erdboden-Stabilisierungsfluide errichtete Großpfähle.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
BEISPIELE
Laborbeispiel 1
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 Mud^TM, 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^® CDP^TM, ein erfindungsgemäß verwendetes synthetisches "Trockenvinyl"-Polymeres und (5) SlurryPro LSC^TM, 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 Mud^TM, 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.
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.
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.
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.
Laborbeispiel 2
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.
Laborbeispiel 3
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^® CDP^TM- 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 Floc^TM-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.
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.
Feldbeispiel 1
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.
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.
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.
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.
Feldbeispiel 2
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
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
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.
Feldbeispiel 3
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.
Feldbeispiel 4
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.
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.
Feldbeispiel 5
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.
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.
Feldbeispiel 6
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.
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.
Feldbeispiel 7
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.
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.
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") KnockOut^TM 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.
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.
Feldbeispiel 8
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.
Feldbeispiel 9
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.
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

Claims

Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens, umfassend: (a) eine wasserbasierte kontinuierliche Phase, und (b) ein oder mehrere Polymere, ausgewählt aus synthetischen Polymeren, natürlichen Polymeren, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon, wobei wenigstens eines von dem einen oder den mehreren Polymeren eine anionische funktionelle Gruppe enthält, wobei die Polymere ein Molekulargewicht von 25000 oder mehr haben; und (c) einen kationischen Polyelektrolyten, wobei das Fluid eine Marsh-Trichter (Funnel)- Viskosität (MTV bzw. MFV) von 28 Sekunden pro Quart oder mehr hat.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei die Kombination von Polymeren funktionelle Elemente bildet, wobei die funktionellen Elemente eine Vielzahl von Zusammensetzungsperlen oder -massen umfassen.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Polymeren funktionelle Elemente bildet, wobei die funktionellen Elemente ein Polymernetzwerk umfassen.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei die Kombination von Polymeren funktionelle Elemente bildet, wobei die funktionellen Elemente eine Kombination von Zusammensetzungsperlen oder (–)Massen, Filamenten oder Polymernetzwerken oder Kombinationen davon umfassen.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren Polymeren amphoter ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren Polymeren ein assoziatives Polymer ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 6, wobei das assoziative Polymer ein oder mehrere assoziative Monomere umfasst, die zur Copolymerisation durch freien Radikalmechanismus befähigt sind.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 6, wobei das assoziative Polymer ein oder mehrere assoziative Monomere, die aus der Gruppe bestehend aus Urethan, Amid und Esterderivaten von nichtionischen oberflächenaktiven Substanzen und Kombinationen davon ausgewählt sind, umfasst.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Acrylsäure, Acrylamid, Methacrylamid, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure, Vinylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure, 2-Arylamido-2-methylpropansulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Vinylessigsäure, Allylessigsäure, B-Hydroxyethylacrylat, 4-Methyl-4-pentansäure, x-Halogenacrylsäure, B-Carboxyethylacrylat, C₁- bis C₂₀-Methacrylaten und -Acrylaten, wasserlöslichen Salzen davon; und Kombinationen davon, ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Polymeren ein synthetisches Polymer mit einem Molekulargewicht von mehr als 1000000 ist bzw. sind.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Polymeren ein natürliches Polymer mit einem Molekulargewicht von mehr als 50000 ist bzw. sind.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren Polymeren, enthaltend eine anionische Gruppe, zwischen 0,01 % und 10%, bezogen auf das Gesamtmonomergewicht, vernetzt ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren Polymeren, enthaltend eine anionische Gruppe, ein Vinylpolymer ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei das Stabilisierungsfluid eine Marsh-Trichter-Viskosität über 35 Sekunden pro Quart hat.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 13, weiter enthaltend ein natürliches Polymer, ausgewählt aus Polysacchariden, Gummis, Biopolymeren, Alginaten, Cellulosen, modifizierten Cellulosen, Guaranen, Stärken, modifizierten Stärken, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 13, wobei wenigstens eines oder mehrere Polymere, enthaltend eine anionische Gruppe, das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Acrylamiden, 2-Methacrylamido-2-methyl-propansulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Sulfoalkylacrylaten, Alkylmethacrylaten, n-Sulfoalkylacrylamiden, Methacrylamiden, Allylsulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Allylglycidylethersulfonat, deren Salzen, und Gemischen davon, ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren synthetischen Polymeren der Kombination von einem oder mehreren Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Verbindungen ausgewählt aus Methacryloxy-ethyl-dimethylamin, Methacrylamido-propyl-dimethylamin, Acryloxy-ethyl-dimethylamin, Acrylamido-methyl-propyl-dimethylamin, Dimethyl-diallyl-ammoniumchlorid, Diethyl-diallyl-ammoniumchlorid, Dimethylallyloxyethylamin und den Säuresalzen und den Methylsulfat- und Methylchloridanalogen davon, und Gemischen davon, ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, weiter umfassend die Einverleibung von einem oder mehreren kationischen Monomeren oder Polymeren in das eine oder die mehreren Polymere, enthaltend eine anionische Gruppe, wobei das kationische Monomer ausgewählt ist aus: Diallyldimethyl-ammoniumchlorid, quaternisierten Dimethylaminoethyl(meth)acrylaten, C₁- bis C₂₀-Methacrylaten und -Acrylaten, N,N-Dimethylaminopropyl-methacrylamid, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, weiter umfassend ein kationisches Polymer ausgewählt aus dem Reaktionsprodukt von Epichlorhydrin oder einem Dihalogenalkan, und einem Amin.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens nach Anspruch 1, wobei das kationische Polymer ein Polyethylenimin ist.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbadens nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines von dem einen oder den mehreren Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren nichtionischen Monomeren ist, wobei die nichtionischen Monomere ausgewählt sind aus Acrylamid, Methacrylamid, N- Vinylpyrrolidon, Vinylacetat, Styrol, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines Fluids zur Stabilisierung des Erdbodens bei der Bildung eines Erdhohlraums, wobei das Verfahren umfasst: (a) Zugeben einer wasserbasierten kontinuierlichen Phase zu einem Erdhohlraum; (b) Zugeben von einem oder mehreren Polymeren ausgewählt aus synthetischen Polymeren, natürlichen Polymeren, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon zu der kontinuierlichen Phase, wobei wenigstens eines von dem einen oder den mehreren Polymeren eine anionische funktionelle Gruppe enthält, (c) Zugeben eines kationischen Polyelektrolyten zu der kontinuierlichen Phase, um ein Fluid mit einer Marsh-Trichter (Funnel)- Viskosität (MTV bzw. MFV) von 28 Sekunden pro Quart oder mehr bereitzustellen, und (d) Ausgaben, um den Erdhohlraum zu bilden oder zu vergrößern.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren synthetischen Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Acrylsäure, Acrylamid, Methacrylamid, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure, Vinylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure, 2-Arylamido-2-methylpropansulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Vinylessigsäure, Allylessigsäure, B-Hydroxyethylacrylat, 4-Methyl-4-pentansäure, x-Halogenacrylsäure, B-Carboxyethylacrylat, C₁- bis C₂₀-Methacrylaten und -Acrylaten, wasserlöslichen Salzen davon; und Kombinationen davon, ist.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei die natürlichen Polymere ausgewählt sind aus Polysacchariden, Gummis, Biopolymeren, Alginaten, Cellulosen, modifizierten Cellulosen, Carboxymethylcellulose, Hydroxy ethylcellulose, Guaranen, Gummiarabikum, Xanthan, Whelan, Agar-Gummis, Agar-Agar-Gummis, Johannisbrot-Gummis, Stärken, modifizierten Stärken, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das eine oder die mehreren Polymeren funktionell wirksam sind, um eine Vielzahl von Zusammensetzungsperlen, (–)Massen, Filamenten oder Polymernetzwerken oder Kombinationen davon in der kontinuierlichen Phase zu bilden.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das eine oder die mehreren Polymeren funktionell wirksam zur Erzielung einer Fluidverlustkontrolle bzw. -steuerung in dem Erdhohlraum sind.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das eine oder die mehreren Polymeren funktionell wirksam zur Stabilisierung der Erde sind, die an den Hohlraum angrenzt.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das eine oder die mehreren Polymeren funktionell wirksam sind, um die Kohäsion von Erdfeststaffen zu erhöhen, um die Entfernung gestörter Erdfeststoffe aus dem Hohlraum zu erleichtern.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das eine oder die mehreren Polymeren funktionell wirksam sind, um die Charakteristika der Übertragung der Umfangsbelastung von strukturellen Elementen, die in dem Erdhohlraum gebildet werden, zu verbessern.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das Fluid eine Marsh-Trichter-Viskosität von 45 Sekunden pro Quart oder mehr aufweist.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, weiterhin umfassend den Schritt der Zugabe eines löslichen Hydroxids.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 31, weiterhin umfassend den Schritt des direkten Zusetzens des löslichen Hydroxids zu dem Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens, nachdem sich das Fluid in dem Erdhohlraum befindet.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 31, weiterhin umfassend den Zusatz eines pH-einstellenden Materials ausgewählt aus Bicarbonaten, Phosphaten, Phosphatestern, Phosphonaten, Säuren, und Kombinationen davon.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren synthetischen Polymere das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Acrylamiden, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Sulfoalkylacrylaten, Alkylmethacrylaten, n-Sulfoalkylacrylamiden, Methacrylamiden, Allylsulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Allylglycidylethersulfonat, deren Salzen, und Gemischen davon, ist.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei wenigstens eines des einen oder der mehreren synthetischen Polymeren der Kombination von einem oder mehreren Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Verbindungen ausgewählt aus Methacryloxy-ethyl-dimethylamin, Methacrylamido-propyl-dimethylamin, Acryloxyethyl-dimethylamin, Acrylamido-methyl-propyl-dimethylamin, Dimethyldiallyl-ammoniumchlorid, Diethyl-diallyl-ammoniumchlorid, Dimethylallyloxyethylamin und den Säuresalzen und den Methylsulfat- und Methylchloridanalogen davon, und Gemischen davon, ist.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, weiterhin umfassend die Einverleibung von einem oder mehreren kationischen Monomeren oder Polymeren in das eine oder die mehreren Polymere enthaltend eine anionische Gruppe, wobei das kationische Monomer ausgewählt ist aus: Diallyldimethylammoniumchlorid, quaternisierten Dimethylaminoethyl-(meth)acrylaten, C₁- bis C₂₀-Methacrylaten und -Acrylaten, N,N-Dimethylaminopropylmethacrylamid, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, weiterhin umfassend ein kationisches Polymer ausgewählt aus dem Reaktionsprodukt von Epichlorhydrin oder einem Dihalogenalkan, und einem Amin.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei das kationische Polymer ein Polyethylenimin ist.
Verfahren und Verwendung nach Anspruch 22, wobei wenigstens eines von dem einen oder den mehreren Polymeren das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren nichtionischen Monomeren ist, wobei die nichtionischen Monomere ausgewählt sind aus Acrylamid, Methacrylamid, N-Vinylpyrrolidon, Vinylacetat, Styrol, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, den wasserlöslichen Salzen davon, und Kombinationen davon.
Fluid zur Stabilisierung des Erdbodens, umfassend: (a) eine wasserbasierte kontinuierliche Phase; (b) ein anionisches Polymer, um ein einphasiges Fluid mit einer Marsh-Trichter (Funnel)- Viskosität (MTV bzw. MFV) von 28 oder mehr zu ergeben; (c) ein kationisches Material; und (d) ein lösliches Hydroxid.