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Feinabstimmung der Viskosität und Dichte von Bohrschlamm

 

Die Mahl- und Sichtsysteme der Firma NEUMAN & ESSER (NEA) werden in der Öl- und Gasindustrie für die effiziente Zerkleinerung von Bentonit und Baryt (Schwerspat) eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine einzigartige Technik, mit der die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialien in Bohrspülungen vielseitig verwertet werden können.

Bohrspülungen kommen in Bohrlöchern zum Einsatz, um den Bohrvorgang zu erleichtern. Durch immer bessere Bohrtechniken und effizientere und effektivere Bohrspülungen kann immer tiefer, weiter und anspruchsvoller gebohrt werden. Während Bohrspülungen technisch und chemisch gesehen viel komplexer geworden sind, hat sich die Verfahrensweise an sich nicht geändert. Bohrspülungen sind für optimale Bohrergebnisse unverzichtbar, denn durch ihren Einsatz kann Öl schneller und in größeren Mengen an die Oberfläche befördert werden.

Der erhöhte Bedarf an Bohrspülungen hängt mit den höheren Erwartungen an die Hilfsstoffe zusammen. Diese Hilfsstoffe erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Die mit etwa 80 % am weitesten verbreiteten Bohrspülungen basieren auf Wasser und sind günstiger als die auf Öl oder sonstigen synthetischen Stoffen basierenden Spülungen. Gewöhnlich bestehen die auf Wasser basierenden Spülungen aus Bentonit und Baryt sowie weiteren Aggregaten.

Bohrspülungen werden hauptsächlich eingesetzt, um den hydrostatischen Druck zu regeln. Dadurch wird vermieden, dass Formationsfluide in das Bohrloch eindringen und sich ein Blowout bildet. Mit der auch als Bohrschlamm bezeichneten Spülung wird der Bohrmeißel gekühlt und gereinigt, das Bohr klein gelöst und bei einer Unterbrechung des Bohrvorgangs weggespült und nicht zuletzt auch eingesetzt, wenn die Bohranlage in das Bohrloch eingeführt und wieder entfernt wird. Außerdem werden so durchlässige Gesteinsformationen versiegelt, die Wände des Bohrlochs stabilisiert und Materialverluste sowie Korrosion an den Schneidwerkzeugen minimiert.

Bentonit und seine außergewöhnlichen Eigenschaften

Um einen internationalen Qualitätsstandard und ein ausreichen-des Maß an Sicherheit zu schaffen, hat der US-amerikanische Interessenverband der Öl- und Gasindustrie American Petroleum Institute die Spezifikation für Bohrspülungen gemäß API 13A verfasst, die mit der ISO-Norm 13500:2009 „Erdöl- und Erd-gasindustrie – Bohrspülungen – Spezifikationen und Prüfungen“ übereinstimmt. In API 13A werden die besonderen Anforderungen an Bohrspülungen und ihre Hilfsstoffe festgelegt.

Wichtigster Hilfsstoff für auf Wasser basierende Spülungen ist das Mineral Bentonit (Bild 1). Dabei handelt es sich um ein Ge-misch aus verschiedenen Tonmineralien. Bemerkenswert sind vor allem seine außergewöhnlichen Eigenschaften: Wenn es in Wasser eingerührt wird, zeigt es eine sogenannte thixotrope Reaktion. Es verhält sich unter mechanischer Beanspruchung wie zum Beispiel Schütteln oder Rühren wie eine Flüssigkeit. Im Ruhezustand verfestigt es sich jedoch und seine Viskosität nimmt zu.

Obwohl Bohrspülungen mit Bentonit auch bei einfachen Bohrungen eingesetzt werden, zeigt sich ihr wahres Potenzial erst bei anspruchsvollen Aufgaben wie etwa dem Bohren nach Öl oder Erdgas und der Exploration auf Bohrinseln. Die Bohrflüssigkeit befördert das Bohrgut an die Oberfläche. Bei Stillstand der Spülpumpen wird durch die Thixotropie des Bentonits das Absinken des Gesteinsmaterials zurück in den Bohrschacht verhindert.

Als Bohrspülung dichtet Bentonit den Bohrschacht gegen Wassereintritt nach unten und an den Seiten ab. Außerdem schmiert und kühlt es die Schneidwerkzeuge und schützt sie so vor Korrosion. Das Mineral bildet an der Bohrwand einen festen Schlammkuchen, der das Bohrloch zusätzlich stabilisiert. Die feinkörnigen Bentonitpartikel dringen in die Bohrwand ein, quellen auf und verfestigen sich. Je nach Beschaffenheit des Erdreichs sind feinkörnige oder grobkörnige Partikel erforderlich.

Gute Gründe für eine Pendelmühle von NEA

Die Anforderungen an Bentonitpartikel sind nicht unge-wöhnlich, aber dennoch entscheidend. Die technischen Daten für Bentonit in Bohrspülungen werden in der Spezifikation API 13A genau festgelegt (Tabelle 1).

Ein führender Hersteller von Bentonit für Bohrungen im Nahen Osten beliefert weltweit Öl- und Gasproduzenten. Seit 2005 setzt er für die Bentonitvermahlung ein Mahlsystem von NEA ein. Die Wahl des Bentonitherstellers fiel auf eine Mahlanlage mit einer Pendelmühle des Typs PM 20U4, einem CPM-Radialsichter 1200 und einer Zyklonschaltung (Bild 2).

Frank Verreck, Sales Manager bei NEA Mahl- und Sichtsys-teme, erklärt: „Gründe für die Investition waren die für den Auftraggeber wichtige hohe Durchsatzleistung von über 18 t/h, die sichere Reproduzierbarkeit der Produktfeinheit sowie die hervorragende Trennschärfe. Mit der Anlage lassen sich die Partikelgrößen sehr genau einstellen und somit präzise Vorhersagen über die Eigenschaften der Bohrflüssigkeit machen, damit Öl- und Gasproduzenten keine unangenehmen Überraschungen erleben.“

Langjährige Erfahrungen mit den Mahl- und Sichtsystemen von NEA

Des Weiteren profitieren die Kunden von NEA von der jahrzehntelangen Erfahrung des Mahlsystemherstellers. „Seit 1940 bieten wir unseren Kunden die Gelegenheit, ihren Mahlvorgang zu rekonstruieren“, so Frank Verreck. „In unserem Technikum haben wir unterschiedliche Systeme, an denen sämtliche Mahl- und Luftabscheidungsvorgänge geprüft werden können. Das Technikum von NEA unterstützt die Planung neuer sowie die Verbesserung bestehender Anlagen, um Verfahren und Produkte zu optimieren.“

Was den Bentonithersteller aus dem Nahen Osten endgültig von den NEA Mahl- und Sichtsystemen überzeugt hat, war der beeindruckende Verschleißschutz. Die Verunreinigungen im Bentonit verursachen eine erhöhte Beanspruchung, Abrieb und Verschleiß in der Mühle. Dennoch kann das grobe Mahlgut der Mühle von NEA nicht viel anhaben, denn sämtliche Komponenten der Mahlanlage sind auf Robustheit und Verschleißfestigkeit ausgelegt. „Wenn all unsere Kunden so zufrieden sind wie dieser, können wir auf unsere Mühlen und Mahlsysteme besonders stolz sein“, so Frank Verreck.

NEA verfügt über umfassende Erfahrungen in der Vermahlung von Bentonit, Bentonit-Kohlemischungen und Bleicherde. Heute sind inzwischen weltweit über 50 Bentonit-Mahlanlagen erfolgreich im Einsatz (Bild 3). Die Oberkorngrenze kann sowohl bei den kleinen als auch bei den großen Mühlen, die pro Stunde bis zu 40 t feinkörniges oder bis zu 55 t grobkörniges Bentonit erzeugen, sehr präzise eingestellt werden.

Feuchtes Mahlgut mit bis zu 18 % Wassergehalt wird problemlos verarbeitet. Ein effizienter Heißgaserzeuger sorgt für die notwendige Wärme, um das Bentonit während des Mahl- und Sichtungsvorgangs in der Mühle zu trocknen. Mit NEA Mahlsystemen fallen nur geringe Kosten für Verschleiß und Wartung, Strom und Abwärme an.

Eine Mühle für verschiedene Materialien

Mit derselben Mühle können bis zu 60 t/h Baryt vermahlen werden. Dieses Mineral ist viel trockener, denn im Gegensatz zum Schichtsilikat Bentonit kann es nur wenig Feuchtigkeit aufnehmen. Daher muss es kaum getrocknet werden und die Mahlleistung wird insgesamt erhöht.

Weltweit werden mehr als drei Viertel des produzierten Baryts als Beschwerungsstoff für Bohrspülungen bei der Öl- und Gas-Exploration genutzt. Durch seine außerordentlich hohe Dichte von 4,5 g/cm³ unterdrückt dieses Schwermineral hohe Forma-tionsdrücke und schützt das Bohrloch so vor einem Blowout.

Erdöl- und Erdgaslagerstätten befinden sich unter gas- und wasserundurchlässigen Deckschichten. Durch die Last dieser Gesteinsmassen sind Gas- und Flüssigkeitseinschluss darunter einem hohen Druck ausgesetzt. Während des Bohrvorgangs wird dieser Druck im Bohrloch mithilfe einer Bohrspülung von sehr hoher Dichte ausgeglichen und das Gewicht dieser Flüssigkeitssäule erzeugt einen hydrostatischen Gegendruck.

Der Bohrmeißel bewegt sich durch verschiedene Formationen, die sich durch unterschiedliche Eigenschaften auszeichnen. Je tiefer das Bohrloch, desto mehr Baryt wird prozentual gesehen im Gesamtgemisch des Bohrschlamms benötigt. Baryt hat außerdem den Vorteil, dass er nichtmagnetisch ist und daher die magnetischen Messungen im Bohrloch weder während des Bohrvorgangs noch während einer gesonderten Bohrlochmessung beeinträchtigt. Der Flüssigkeitsdruck in heutigen Bohrlöchern wird durch Ausgleich des hydrostatischen Drucks im eingesetzten Bohrschlamm reguliert.

Hohe Anforderungen an Baryt für Bohrungen

Der Flüssigkeitsdruck in Bohrlöchern kann unter diesen unvorhersehbaren Umständen nur genau reguliert werden, wenn präzise vermahlene Rohstoffe innerhalb streng festgelegter Grenzen verwendet werden. An Baryt werden in API 13A und ISO 13500:2009 viel höhere Anforderungen gestellt als an Bentonit für Bohrschlamm. Baryt wird so fein vermahlen, dass bezogen auf das Gewicht mindestens 97 % des Materials kleiner als 75 μm und maximal 30 % kleiner als 6 μm ist (Tabelle 2).

Der vermahlene Baryt muss außerdem so verdichtet sein, dass die relative Dichte mindestens 4,2 beträgt, und weich genug sein, so dass er die Lager eines Drei-Kegel-Rollenmeißels nicht beschädigt. Er muss chemisch träge sein und darf je Kilogramm maximal 250 mg lösliche Alkalisalze enthalten.

Kugelmühle und NEA Pendelmühle im Vergleich

Obwohl solch eine steile Partikelgrößenverteilung von einer Kugelmühle kaum erzielt werden kann, wird diese für die Vermahlung von Baryt eingesetzt. Die Vorteile von Pendelmühlen überzeugen jedoch am meisten: besonders bei der Vermahlung und Sichtung mit steiler Partikelgrößenverteilung in einem Arbeitsschritt. Wie am Beispiel in Bild 4 zu erkennen, erweist sich dieses Verfahren als effizienter.

In Mannheim wurde ein gesamtes Mahl- und Trockensystem mit Kugelmühle durch zwei NEA Pendelmühlen vom Typ PM 12U3 ausgetauscht. Die für die Kugelmühle benötigte Grundfläche reichte aus für die Installation der zwei Pendelmühlen. Anstelle der alten Rüttelfilter konnten zwei schlagfeste Druckluftfilter eingebaut werden. Seitdem wurde bei praktisch demselben Energiebedarf die doppelte Mahlleistung erzielt (Eckdaten siehe Tabelle 3). Eine Pendelmühle unterscheidet sich in vielen Punkten von einer Kugelmühle. Es folgen die wichtigsten Faktoren im Überblick:

Investitionskosten

Ein Kugelmühlensystem ist im Vergleich zur Pendelmühle in der Regel etwas günstiger (5-10 %). Wird die Kugelmühle für die Feinzerkleinerung eingesetzt, ist der Investitionsumfang ungefähr gleich groß.

Benötigter Platz/Baugrund

Für eine Pendelmühle wird viel weniger Platz benötigt. Auch das Fundament für die Pendelmühle ist erheblich kleiner und günstiger.

Spezifischer Energieverbrauch

Der spezifische Energieverbrauch einer Pendelmühle kann bis zu 70 % niedriger sein. Der Unterschied hängt von der Härte des Materials und der erforderlichen Feinkörnigkeit ab. Eine Pendelmühle verbraucht in der Regel 30 bis 50 % weniger Energie.

Wartungskosten

Die Wartungskosten für beide Systeme sind ähnlich hoch. Generell sind die Kosten für Kugeln und Verschleißplatten relativ gering. Der Abnutzungsgrad ist jedoch höher. Bei der Pendelmühle ist der Abnutzungsgrad niedriger. Die Ersatzteile können jedoch etwas teurer sein. Die Wartungskosten können auf ein Minimum reduziert werden, wenn das innovative Direktantriebssystem eingesetzt wird. Antrieb und Mühlenrotor mit Pendeln lassen sich für die effiziente externe Wartung in einem Arbeitsschritt vollständig austauschen. Durch die einfache Mühlenkonstruktion ohne Getriebe, Kupplungen und Ölschmierung kann das System aufgrund der sehr geringen Ausfallzeiten maximal ausgelastet werden (Bild 5).

Spezifischer Abnutzungsgrad

Der spezifische Abnutzungsgrad einer Kugelmühle ist ungefähr 10 mal höher als der einer Pendelmühle. Das bedeutet, dass der Eisengehalt im Produkt, der durch den Abrieb der Stahlkugeln entsteht, erheblich höher ist und damit die im Bohrloch vorgenommenen magnetischen Messungen mehr beeinflusst werden.

Prozesssteuerung

Die Prozesssteuerung einer Kugelmühle ist komplexer. Dies liegt hauptsächlich daran, dass das Mahl- und Sichtsystem aus zwei voneinander getrennten, aber untereinander interagierenden Systemen besteht. Die Einstellung und Optimierung beider Prozesse sind zeitaufwändig und erfordern einige Erfahrung. Bei einer Pendelmühle werden beide Prozesse auf einen Arbeitsschritt reduziert und sind in einem System vereint. Ändert sich die Sichtergeschwindigkeit, wird die Oberkornbegrenzung sekundenschnell angepasst. Die Verweilzeit in der Pendelmühle ist außerdem erheblich kürzer. Dadurch ist eine schnellere Reaktion auf Veränderungen sichergestellt. In einer Kugelmühle ist die Verweilzeit viel länger, was bei Prozessänderungen zu langen Reaktionszeiten führt. Eine Kugelmühle wird immer auf einen bestimmten Durchsatz eingestellt. In dieser Hinsicht ist die Pendelmühle viel flexibler.

Partikelgrößenverteilung

Die Kurve der Partikelgrößenverteilung eines Produkts aus einer Pendelmühle ist erheblich steiler. Damit werden eine enge Partikelgrößenverteilung und eine scharfe Oberkornbegrenzung sichergestellt. Dies ist der größte Vorteil zur Erfüllung der Anforderungen der API 13A.

Bentonit

Da Bentonit zu 60-80 % aus Montmorillonit besteht, verfügt es über besondere Eigenschaften wie etwa Quellfähigkeit und Wasseraufnahmefähigkeit. Das Dreischichtsilikat kann eine außergewöhnlich hohe Menge Wasser aufnehmen und dehnt sich um ein Vielfaches seiner ursprünglichen Größe aus. Die Innenfläche eines Gramms Bentonit beträgt 400-600 m². Ton hat zum Beispiel in der Regel 2 m². Durch die Quellfähigkeit und das Viskositätsverhalten von Bentonit in Verbindung mit Wasser sowie seine besonders große Innenfläche bietet dieses Mineral unzählige Anwendungsmöglichkeiten.

Bentonit wird als Lebensmittelzusatz, aber auch in Kosmetika oder pharmazeutischen Produkten eingesetzt. Es dient als Zusatzstoff in der Keramik, in Gießereien, für Papier und Waschmittel. In der Nanotechnologie wird es für Farben und Lacke als Oberflächenbeschichtung verwendet. Das vielfältige Mineral ist ein Hitzestabilisator für Kunststoffe, Luftreiniger, absorbierende Stoffe und Bindemittel.

Bentonit wird auch in der Bautechnik eingesetzt, außerdem bei der Versiegelung von Gebäuden und im Deichbau. Bei Tunnel- und Rohrbohrungen dient es als Schmiermittel. Wenn geothermischen Quellen Wärme entzogen wird, sind die Sammelrohre für die Erdwärmesonden häufig mit Bentonit bedeckt, da es das Wasser bindet und so die Bildung von Hohlräumen verhindert.

Baryt (Schwerspat)

Baryt kann je nach Erzvorkommen schwarz, blau, braun oder grau sein. Der Name Schwerspat entstammt dem griechischen Wort „βαρύς“ [barýs], was „schwer“ bedeutet. Im Amerikanischen heißt es „barite“. Die Internationale Mineralogische Vereinigung übernahm bei ihrer Gründung 1959 „barite“ als offizielle Schreibweise, empfahl jedoch 1978 die Verwendung der älteren Schreibweise „baryte“. Von der Mineralogical Society of America wird diese jedoch offenkundig ignoriert. Im Englischen wird Baryt auch barytine, barytite, schwerspath, barytes, heavy spar, tiff oder blanc fixe genannt.

In der Geschichte wurde er für die Produktion von Bariumhydroxid zum Raffinieren von Zucker verwendet. Außerdem diente er als weißer Farbstoff für Textilien, Papier und Lacke.

Heute gehört zu seinen Anwendungsbereichen der Einsatz als Füllmaterial in Kunststoffen oder als Schalldämmung in Motorräumen. Fahrzeuglacke werden mit Baryt beschichtet, um eine glatte Oberfläche zu erzielen und Korrosion zu verhindern. Er wird in Reibbelägen für Autos und LKWs verwendet, in strahlenabschirmendem Beton, in der Glaskeramik und in der Medizin. Bei Röntgenuntersuchungen wird Baryt zum Beispiel als Kontrastmittel eingesetzt.

Fazit

Zusammenfassend kann Folgendes gesagt werden: Beide Systeme scheinen sich im Hinblick auf Investitionen in die Ausrüstung und den Platzbedarf kaum zu unterscheiden. Bezogen auf die Gesamtlaufzeit lässt sich mit der NEA Pendelmühle jedoch eine Menge Geld einsparen. Mit NEA Mahlsystemen fallen nur geringe Kosten für Verschleiß, Wartung und Strom an. Die engere Kurve der Partikelgrößenverteilung stellt für die Öl- und Gasindustrie einen entscheidenden Vorteil und einen enormen Qualitätsgewinn dar. Die Weiterverarbeitung gestaltet sich dadurch einfacher und schneller. Trenngrenzbereich und maximale Partikelgröße können sowohl für kleine als auch für große Mahlanlagen sehr genau eingestellt werden.

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