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Rheologische Untersuchungen im Bergbau und bei der Erdölgewinnung

Obwohl der Bergbau eine der ältesten Industrien ist – bereits in prähistorischer Zeit wurden Metalle und Steine in Bergwerken abgebaut –, wächst und expandiert er heute immer noch. Abgebaut werden grundlegende Energieträger wie Kohle und Gas, bis hin zu Baumaterialien wie Eisen, sowie Edelmetalle wie Nickel, Titan, Lithium, Gold u. a. 

Zu den wichtigsten Prozessen im Bergbau gehören Bohrungen, das Erschließen und Abtransportieren des Aushubs sowie das Entsorgen und Lagern von Abfallprodukten. Da es sich bei den meisten Bergwerken um extrem große Flächen und Mengen handelt, können kleine Unterschiede in der Effizienz dieser Prozesse einen großen Einfluss auf die Produktivität und Wirtschaftlichkeit des Bergwerks haben.

Rheologisches Verhalten von Materialien im Bergbau und bei der Erdölgewinnung

Rheologische Messungen liefern wichtige Informationen über die Effizienz der oben beschriebenen Prozesse, die sich in großem Maße um die Fließfähigkeit von Schlämmen und anderen Flüssigkeiten drehen:

Bohrprozess

Bohrspülungen spielen im Bohrprozess in mehrfacher Hinsicht eine wichtige Rolle, z. B. für die Schmierung von Bohrkopf und Bohrstrang, die Beseitigung von Bohrklein von der Bohrkrone und die Eindämmung von Formationsflüssigkeiten. Rheologische Messungen sind erforderlich, um das Verhalten von Bohrspülungen unter verschiedenen Bedingungen zu überwachen und vorherzusagen, vom Tiefseebergbau bei tiefen Temperaturen von 5 ˚C bis hin zu Geothermie-Bohrungen bei 180 ˚C 

Verarbeitung und Transport

In einigen Fällen muss Aushub über weite Strecken transportiert werden, bevor er verarbeitet und veredelt werden kann. Rheologische Daten sind erforderlich, um die optimalen Förderbedingungen zu definieren, einschließlich Rohrgröße, Flüssigkeitszusammensetzung und Pumpendruck.

Abfallbehandlung

Die Bergbauindustrie ist der weltweit größte Abfallerzeuger. Die weitgehende Entfernung des Wassers vor dem Transport des Abfalls kann zu Einsparungen von Wasser, Transportenergie und Lagerkosten führen; die Konzentration des Abfalls kann jedoch auch sein Fließverhalten drastisch verändern, sodass rheologische Messungen erforderlich sind, um die beste Strategie für die Abfallentsorgung zu entwickeln.

Üblicherweise gemessene Materialien aus der Bergbauindustrie

Bohrspülungen

Die wichtigste Funktion einer Bohrspülung besteht darin, die Konzentration von Bohrklein um den Bohrkopf und im gesamten Bohrloch zu minimieren. Die Bohrspülung muss auch das Bohrloch stabilisieren und den Bohrkopf und den Bohrstrang schmieren, um hohe Bohrgeschwindigkeiten zu gewährleisten. Die Flüssigkeit muss daher ausreichend viskos sein, um das Bohrklein an die Oberfläche zu heben; gleichzeitig darf aber die Viskosität nicht zu hoch sein, um den Reibungsdruckverlust zu minimieren. Die beste Möglichkeit um die Ausgewogenheit der,  Viskositätswerte zu steuern, besteht darin, die Rheologie der Bohrspülung zu kontrollieren.

Rheologische Untersuchungen an Bohrspülungen

Bohrspülungen haben eine große technologische Entwicklung durchlaufen: Früher waren sie eine einfache Mischung aus Wasser und Ton; heute sind sie komplexe synthetische Mischungen aus verschiedenen organischen und anorganischen Produkten, die als „Bohrschlämme“ bezeichnet werden. Durch die Kontrolle der Komponenten können die rheologischen Eigenschaften verbessert und angepasst werden. Wird dem Gemisch beispielsweise Wasser zugegeben, sinkt die Viskosität über einen großen Scherratenbereich. Wird Bentonit zugesetzt, steigt die Viskosität . Polymere tragen dazu bei, die Viskosität bei hohen Scherraten zu erhöhen, während Weißkalk verwendet wird, um die Viskosität bei niedrigeren Scherraten zu erhöhen. 

Die folgende Abbildung zeigt, wie die Erhöhung der Verdickungsmittelmenge in einer Bohrspülung die Viskosität über einen weiten Scherratenbereich erhöht.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem Zylindermesssystem ausgestattet ist.

Schlämme

Die Verarbeitungs- und Transporteigenschaften von Schlämmen hängen stark von ihren rheologischen Eigenschaften ab. Die Fließgrenzegibt zum Beispiel die minimale Kraft an, die erforderlich ist, um das Fließen des Schlamms einzuleiten, während die Viskosität ein Maß für den Fließwiderstand des Schlamms beim Fließprozess ist. Zur Überwindung der Fließgrenze wird eine überproportionale Energiemenge benötigt. Bis zum Erreichen der Fließgrenze steigen Widerstand und Druck in der Rohrleitung proportional an, während der Schlamm noch stillsteht. Wenn die Fließgrenze zu hoch ist, ist es daher unmöglich, den Pumpvorgang zu starten. Die Überwachung und Steuerung dieser rheologischen Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung, da eine kleine Änderung des Pumpenwirkungsgrades erhebliche Auswirkungen auf Energie und Kosten haben kann.

Rheologische Untersuchungen an Schlämmen

Die Fließgrenze und die Viskosität können durch die Variation der Schlammzusammensetzung beeinflusst werden, z. B. durch die Menge an Wasser und Additiven (Feststoffe, Polymere, Flüssigkeiten), die Partikelgröße und die Pumptemperatur. Oft ist ein scherverdünnender Schlamm erforderlich, wobei sich bei Erhöhung der Schubspannung die Viskosität des Schlammes verringert, sodass er dann leichter zu pumpen ist.

Die Beziehung zwischen der Scherrate und der Viskosität in einer scherverdünnenden Probe ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Bei niedrigen Scherraten und niedrigem Volumenstrom sind die Schubspannung und die Druckdifferenz in der Rohrleitung relativ hoch. Die Erhöhung des Volumenstroms des Schlamms in der Rohrleitung erfordert jedoch nur einen geringen weiteren Druckanstieg. Dies ist auf das scherverdünnende Verhalten des Schlamms zurückzuführen, d. h. die Viskosität nimmt mit zunehmender Scherrate ab.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem sandgestrahlten Zylindermesssystem ausgestattet ist.