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Besser Bohren: Neues Nanokomposit stabilisiert Bohrflüssigkeiten

14.12.2018

Goshtasp Cheraghian/TU Braunschweig

Nanopartikel haben die Fähigkeit, Mikrokanäle in der Bohrlochwand zu füllen (elektronenmikroskopische Aufnahmen li.). Dabei entsteht eine Struktur, vergleichbar mit persischen Muqarnas (r).

Bei der Bohrung nach Rohstoffen im Boden oder beim Brunnenbau unterstützen Bohrspülungen den Bohrprozess. Um die Eigenschaften der wasserbasierten Spülung des Bohrlochs zu verbessern, haben Wissenschaftler des Instituts für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig zusammen mit einem internationalen Team ein Nanokomposit entwickelt.

Eine Bohrspülung ist zunächst ein Gemisch aus Wasser und Bentonit, das bei Bohrungen in das Bohrloch gepumpt wird. Um die rheologischen bzw. Fließ-Eigenschaften zu steuern, werden der Bohrflüssigkeit weitere Stoffe wie Feldspat, Baryt und Polymere hinzugegeben.

Bohrspülungen führen Reibungswärme ab, schützen das Bohrwerkzeug vor Korrosion und reduzieren Schwingungen. Die wichtigste Aufgabe neben dem Transport des Bohrgutes ist die Stabilisierung der unverrohrten Bohrlochwand durch den sogenannten Filterkuchen, der sich an der Wand im Laufe des Bohrens absetzt. Um Formationsdrücke im Gestein auszugleichen, wird die Dichte der Bohrspülung je nach Bohrtiefe und Druck angepasst. Damit kann zum einen verhindert werden, dass es zu einem Blowout durch einströmende Gase, Öle oder Wasser kommt. Zum anderen wird vermieden, dass durch zu hohen Druck Spülflüssigkeit in das umgebende Gestein verpresst wird, das in der Folge ausgewaschen und instabil wird.

Wissenschaftler des Instituts für Straßenwesen der TU Braunschweig, der Islamischen Azad Universität in Teheran (Iran), der Louisiana State University in den USA, der Curtin University in Australien und des Indian Institute of Technology Madras in Indien haben ein Nanokomposit, synthetisiert aus Ton und Siliciumdioxid, für Bohrflüssigkeiten entwickelt. Die Forscher um Goshtasp Cheraghian von der TU Braunschweig und Professor Jitendra S. Sangwai vom Indian Institute of Technology Madras berichteten über ihre Ergebnisse im Elsevier-Magazin „Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects“.

Um die Undurchlässigkeit von Flüssigkeiten im Filterkuchen – gegenüber Spülflüssigkeit und Grundwasser – zu optimieren, hat das Forschunsgteam die Bohrflüssigkeit mit Nanopartikeln (Nanokomposite) imprägniert. Die Nanopartikel füllen beim Spülvorgang die Mikrokanäle in der Bohrwand. Auf diese Weise entsteht eine sogenannte Muqarnas-Struktur auf der Oberfläche, die an Stalaktitengewölbe in der persischen Architektur erinnert.

"Die Nanopartikel sind von besonderem Wert für die Industrie, da sie leicht synthetisiert werden und auch die rheologische Stabilität von Bohrschlamm bei höheren Temperaturen verbessern können", sagt Cheraghian. Bohrflüssigkeiten stellen einen großen Kostenfaktor bei Bohraufträgen dar. Nanopartikel erlaubten es, gleichzeitig Kosten zu reduzieren und umweltschonendere Zusammensetzungen von Bohrflüssigkeiten herzustellen.

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