DE102009050177B4

DE102009050177B4 - Vorrichtung zum Mischen eines pulverförmigen Mediums mit einer Flüssigkeit, Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie eine eine solche Mischvorrichtung umfassende Mischanlage

Info

Publication number: DE102009050177B4
Application number: DE102009050177.0A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schauerte Manfred; Dipl.-Ing. Hamers Markus; Dipl.-Ing. Rameil Meinolf
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: GB201017689D0; GB2474768B; GB2474768A; US20110255365A1; DE102009050177A1; US8414179B2

Abstract

Vorrichtung zum Mischen eines pulverförmigen Mediums mit einer Flüssigkeit mit einem mit der Flüssigkeit befüllbaren Mischbehälter (1), der einen Zulauf (2) für die Flüssigkeit, einen Einlass (5) für das pulverförmige Medium und mindestens ein Mischsieb (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablauf (3) für die mit dem pulverförmigen Medium vermischte Flüssigkeit vorhanden ist, wobei das Mischsieb (4) zylindrisch oder konisch ist und den Mischbehälter (1) in einen ersten, den Zulauf (2) umfassenden Teil und einen zweiten, den Einlass (5) umfassenden Teil unterteilt und die Vorrichtung ein Fördermittel aufweist, mit dem das pulverförmige Medium vom zweiten Teil durch das Mischsieb (4) in den ersten Teil gepresst wird, wobei das Mischsieb (4) im ersten Teil mit Flüssigkeit benetzt ist und der Zulauf (2) im Bereich eines Endes des Mischsiebs (4) und der Ablauf (3) im Bereich des zweiten Endes des Mischsiebs (4) in den Mischbehälter integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen eines pulverförmigen Mediums mit einer Flüssigkeit, eine Verwendung einer solchen Mischvorrichtung sowie eine eine solche Mischvorrichtung umfassende Mischanlage.
Beim Erstellen von Erdbohrungen und insbesondere von Horizontalbohrungen ist es bekannt, zur Unterstützung des Bohrvortriebs eine Bohrflüssigkeit zu verwenden. Die Bohrflüssigkeit dient dazu, das vor dem Bohrkopf der Bohrvorrichtung liegende Erdreich aufzuweichen und dadurch die Schnittwirkung des Bohrkopfs zu verbessern. Weiterhin kann die Bohrflüssigkeit dazu dienen, den Bohrkopf sowie das in der Bohrung rotierend angetriebene Bohrgestänge zu schmieren und folglich die Reibung mit dem Erdreich zu verringern. Zudem kann mittels der Bohrflüssigkeit das von dem Bohrkopf abgebaute Erdreich durch den Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung oder einen Ringspalt eines Doppelbohrgestänges ausgeschwemmt werden.
Als Bohrflüssigkeit wird regelmäßig eine Mischung aus Wasser und Bentonit sowie gegebenenfalls einigen Zusatzstoffen eingesetzt. Bei Bentonit handelt es sich um eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien, wobei als größter Bestandteil Montmorillonit (regelmäßig mit einem Anteil von 60% bis 80%) vorgesehen ist. Weitere Begleitmineralien können Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit und teilweise auch Calcit sein. Aufgrund des Montmorillonitgehalts weist Bentonit eine starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit auf.
Wasser, in das Bentonit eingerührt wird, kann ein thixotropes Verhalten aufweisen, so dass sich dieses in Bewegung wie eine Flüssigkeit, in Ruhe dagegen wie ein festes Gebilde verhält. Aufgrund dieser Eigenschaft kann eine aus Wasser und Bentonit bestehende Bohrflüssigkeit auch zum Abstützen der Bohrlochwandung verwendet werden, so dass ein Einfallen verhindert werden kann.
Das Einbringen des Bentonits in Wasser stellt eine besondere Herausforderung dar, da das Bentonit dazu neigt, bei dem Kontakt mit dem Wasser zu verklumpen. Im Stand der Technik ist daher regelmäßig vorgesehen, die Bohrflüssigkeit in großen Vorratsbehältern mittels dynamischer Mischvorrichtungen anzurühren und chargenweise zu der Baustelle zu transportieren, an der dieses als Bohrflüssigkeit zum Einsatz kommen soll. Ein solches chargenweises Anrühren ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Weiterhin muss nach dem Fertigstellen der Bohrung der nicht verbrauchte Teil der letzten Charge aufwendig entsorgt werden, was einen hohen Kostenfaktor darstellt.
Aus dem Stand der Technik ist daher auch ein Verfahren beziehungsweise eine korrespondierende Mischvorrichtung bekannt, die diesen Nachteil des chargenweisen Anrührens einer Bohrflüssigkeit vermeidet. Hierbei ist vorgesehen, das Bentonit direkt im Bereich einer Hochdruckpumpe, die dafür vorgesehen ist, die Bohrflüssigkeit durch das Bohrgestänge zu dem Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung zu transportieren, in das Wasser einzuleiten, um die durch die Hochdruckpumpe verursachten Turbulenzen in dem Wasser auszunutzen, um das Bentonit mit dem Wasser zu vermischen. Der Hochdruckpumpe kann sich dann noch eine Quellstrecke anschließen, in der dem Bentonit-Wasser-Gemisch die Zeit gegeben wird, aufzuquellen, bevor es durch das Bohrgestänge zu dem Bohrkopf gefördert wird.
Ein solches Verfahren zur kontinuierlichen Anmischung einer Bohrflüssigkeit sowie eine entsprechende Durchlaufmischanlage ist in der DE 199 18 775 B4 offenbart. In dieser Druckschrift ist jedoch nicht offenbart, wie das pulverförmige Bentonit konkret in das Wasser eingebracht wird.
GB 635 376 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem bzw. der eine erhöhte Gleichmäßigkeit eines Endprodukts eines pulverförmigen oder granulatförmigen Produkts vorliegen soll. Pulverförmiges Material kann durch zwei Siebe mittels Bürsten geführt werden, wobei das pulverförmige Material der Schwerkraft folgend in einen Bereich fällt, in dem ein Sprühnebel erzeugt wird. GB 635 376 A beschreibt somit die Erzeugung einer pulverförmigen Substanz, die möglichst gleichförmig ausgestaltet sein soll.
GB 1 069 170 A offenbart eine Vorrichtung zum Mischen und Madeln einer Mineralzusammensetzung. Die Vorrichtung weist eine Mischkammer auf, in der schaufelförmige Abkratzer drehbar vorhanden sind. Der Mischkammer nachgeschaltet ist ein zylinderförmiges Sieb, durch das von außen Wasser zugeführt wird und in das Sieb gelangt. Das mit Wasser vermischte Material fällt über eine Rampe zu einer Zuführung.
GB 579 808 A offenbart zwei im Wesentlichen konisch zueinander angeordnete Trommeln, wobei an einem Ende der Trommeln ein Verschluss vorgesehen ist und am anderen Ende ein konisches Sieb, welches sich von einem Ende der inneren Trommel bis zu dem entsprechenden Ende der äußeren Trommel erstreckt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Einbringen eines pulverförmigen Mediums in eine Flüssigkeit bzw. zum Mischen des pulverförmigen Mediums mit der Flüssigkeit anzugeben, durch die das aus dem Stand der Technik bekannte Problem des Verklumpens des pulverförmigen Mediums bei dem Kontakt mit der Flüssigkeit zumindest verringert wird. Weiterhin sollte erfindungsgemäß eine Mischanlage zum Mischen einer Bohrflüssigkeit angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Der Kern der Erfindung liegt in der Verwendung mindestens eines Mischsiebs, durch das das pulverförmige Medium von einer Seite aus hindurch gepresst wird und das von der anderen Seite aus möglichst großflächig mit der Flüssigkeit benetzt wird, um eine gute Durchmischung der Flüssigkeit mit dem pulverförmigen Medium zu erzielen.
Unter „Mischsieb” wird erfindungsgemäß ein Element verstanden, das eine räumliche Unterteilung des Mischbehälters in zumindest zwei Teile bewirkt und für das pulverförmige Medium und/oder die Flüssigkeit begrenzend durchlässig ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mischsieb in Form eines Zylinders ausgeführt, dessen Innenvolumen mit dem Einlass für das pulverförmige Medium verbunden ist. Das Innenvolumen des zylindrischen Mischsiebs bildet dadurch zumindest einen Abschnitt des zweiten Teils der Mischkammer aus.
Unter „Zylinder” bzw. „zylindrischem Mischsieb” wird erfindungsgemäß eine Form des Mischsiebs verstanden, bei der ein Außenmantel zumindest teilweise von einer Siebschicht gebildet wird. Der Querschnitt dieses Außenmantels kann dabei bevorzugt kreisförmig ausgebildet sein, wobei beliebige andere Querschnittsformen, wie beispielsweise elliptisch, dreieckig, viereckig, fünfeckig, sternförmig, etc. ebenfalls möglich sind. Erfindungsgemäß sind sowohl „Zylinder” bzw. „zylindrische Mischsiebe” möglich, bei denen der Querschnitt des jeweiligen Außenmantels über dessen/deren Länge konstant bleibt oder der sich verändert. Folglich fallen beispielsweise auch konische Außenmäntel unter den erfindungsgemäßen Begriff.
Um sicherzustellen, dass der Außenmantel des zylindrischen Mischsiebs möglichst vollflächig von der Flüssigkeit benetzt wird, ist vorgesehen, den Zulauf für die Flüssigkeit im Bereich eines Endes des Mischsiebs und den Ablauf für die mit dem pulverförmigen Medium vermischte Flüssigkeit im Bereich des zweiten Endes des Mischsiebs in das Gehäuse des Mischbehälters zu integrieren, wodurch die Flüssigkeit bei der Strömung von dem Zulauf zu dem Ablauf entlang möglichst der gesamten Außenfläche des Mischsiebs strömt.
Um ein gewünschtes Mischungsverhältnis der Flüssigkeit und des pulverförmigen Mediums zu erreichen, ist ein Fördermittel vorgesehen, das das durch den Einlass in den Mischbehälter eingebrachte pulverförmige Medium in Richtung des Mischsiebs transportiert und dieses auch durch das Mischsieb hindurchpresst. In Abhängigkeit von der Transportleistung des Fördermittels kann dadurch auch eine Dosierung für das pulverförmige Medium erreicht werden. Dafür sollte ein Antrieb für das Fördermittel vorzugsweise mit einer Steuerung versehen sein, anhand derer die Transportleistung des Fördermittels variierbar ist. Die Steuerung kann manuell beeinflussbar sein; diese kann vorzugsweise aber auch mit einem Sensor verbunden sein, der das Mischungsverhältnis der mit dem pulverförmigen Medium vermischten Flüssigkeit bestimmt und anhand des ermittelten Istwertes und eines Vergleichs mit einem Sollwert eine automatische Steuerung der Transportleistung bewirkt.
Bei dem Fördermittel kann es sich vorzugsweise um eine mittels eines Elektromotors oder eines anderen Motors angetriebene Förderschnecke herkömmlicher Bauart handeln. Durch den kontinuierlichen Transport definierter Mengen des pulverförmigen Mediums mittels der Förderschnecke kann eine exakt regulierte Zufuhr des pulverförmigen Mediums zu dem Sieb erreicht werden. Die Verwendung einer Förderschnecke ist insbesondere vorteilhaft, wenn gleichzeitig ein kontinuierlicher Zufluss der Flüssigkeit in den Mischbehälter vorgesehen ist, wie dies beispielsweise bei Durchlaufmischanlagen der Fall ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, die Mischung des pulverförmigen Mediums mit der Flüssigkeit durch (zusätzliche) statische oder dynamische Mischelemente zu verbessern. Beispielsweise können eine oder mehrere in den Mischbehälter ragende Düsen vorgesehen sein, durch die ein Druckgas in den Mischbehälter eingebracht wird. Das aus den Düsen in den Mischbehälter ausgebrachte Druckgas kann für eine zusätzliche Verwirbelung der Flüssigkeit und der darin verteilten Partikel des pulverförmigen Mediums sorgen, wodurch deren Vermischung weiter verbessert werden kann.
Eine ähnliche Wirkung kann alternativ oder zusätzlich dadurch erzeugt werden, dass mittels eines Ultraschallgenerators Ultraschallwellen in den Mischbehälter ausgestrahlt werden, die zu einer Durchmischung der Flüssigkeit mit dem pulverförmigen Medium beitragen.
Selbstverständlich sind auch konventionelle Mischelemente möglich, wie beispielsweise in den Mischbehälter ragende Umlenkflügel.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Einbringen von Bentonit in eine wasserhaltige Flüssigkeit und insbesondere in (reines) Wasser.
Eine erfindungsgemäße Mischanlage zum Mischen einer Bohrflüssigkeit weist eine erfindungsgemäße (Misch-)Vorrichtung sowie eine mit dem Zulauf der Mischvorrichtung in Verbindung stehende Wasserzufuhr, eine mit dem Einlass der Mischvorrichtung in Verbindung stehende Bentonitzufuhr und eine mit dem Ablauf der Mischvorrichtung in Verbindung stehende Pumpe auf.
Vorzugsweise kann es sich bei der Pumpe der erfindungsgemäßen Mischanlage um eine Hochdruckpumpe handeln, wodurch die Ausbildung einer Durchlaufmischanlage ermöglicht wird, da eine Hochdruckpumpe einen Druck erzeugen kann, der für einen Transport der Bohrflüssigkeit durch ein (hohles) Bohrgestänge eines Bohrstrangs (Bohrgestänge und Bohrkopf) ausreichend ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung in einer isometrischen Ansicht.
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Mischvorrichtung weist einen Mischbehälter 1 auf, der einen konischen Gehäuseabschnitt 9 umfasst ist. An einem Ende des Gehäuseabschnitts 9 ist ein seitlicher Zulauf 2 für eine Flüssigkeit, vorliegend Wasser, in den Mischbehälter 1 integriert. An dem gegenüberliegenden Ende befindet sich ein entsprechender seitlicher Ablauf 3 für das mit dem pulverförmigen Medium, im vorliegenden Fall Bentonit, vermischte Wasser.
Das mit dem Bentonit vermischte Wasser bildet eine Bohrflüssigkeit aus, die beispielsweise einer Hochdruckpumpe (auf deren Saug- oder Druckseite) einer Durchlaufmischanlage einer Bohrvorrichtung zugeführt werden kann. In der Hochdruckpumpe kann die Bohrflüssigkeit dann soweit unter Druck gesetzt werden, dass diese durch ein hohles Bohrgestänge bis zu einem vorderseitig daran angeordneten Bohrkopf transportiert werden und unter weiterhin hohem Druck aus diesem austreten kann.
Das Vermischen des Wassers mit dem Bentonit erfolgt, indem das Wasser von dem Zulauf 2 zu dem Ablauf 3 durch den Mischbehälter 1 strömt, wobei dieses das Bentonitpulver benetzt, das durch kleine Öffnungen eines entsprechend dem Gehäuseabschnitt 9 des Mischbehälters 1 konisch ausgebildeten Mischsiebs 4 gepresst wird. Hierzu wird das Bentonitpulver über einen Einlass 5 in die erfindungsgemäße Mischvorrichtung eingebracht und mittels einer Förderschnecke 6, die über einen Elektromotor 7 in einem Förderschneckengehäuse 8 rotierend angetrieben ist, in das von dem konischen Mischsieb 4 ausgebildete Innenvolumen transportiert und durch die Öffnungen des Mischsiebs 4 gepresst.
Die Förderschnecke 6 erstreckt sich dabei entlang nahezu der gesamten Länge des Mischsiebs durch dieses hindurch.
Der Gehäuseabschnitt 9 und das Förderschneckengehäuse 8 bilden zusammen den Mischbehälter 1 aus.

Claims

Vorrichtung zum Mischen eines pulverförmigen Mediums mit einer Flüssigkeit mit einem mit der Flüssigkeit befüllbaren Mischbehälter (1), der einen Zulauf (2) für die Flüssigkeit, einen Einlass (5) für das pulverförmige Medium und mindestens ein Mischsieb (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablauf (3) für die mit dem pulverförmigen Medium vermischte Flüssigkeit vorhanden ist, wobei das Mischsieb (4) zylindrisch oder konisch ist und den Mischbehälter (1) in einen ersten, den Zulauf (2) umfassenden Teil und einen zweiten, den Einlass (5) umfassenden Teil unterteilt und die Vorrichtung ein Fördermittel aufweist, mit dem das pulverförmige Medium vom zweiten Teil durch das Mischsieb (4) in den ersten Teil gepresst wird, wobei das Mischsieb (4) im ersten Teil mit Flüssigkeit benetzt ist und der Zulauf (2) im Bereich eines Endes des Mischsiebs (4) und der Ablauf (3) im Bereich des zweiten Endes des Mischsiebs (4) in den Mischbehälter integriert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Mischsieb (4), dessen Innenvolumen mit dem Einlass (5) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördermittel eine Förderschnecke (6) ist.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Mischen von Bentonit mit einer wasserhaltigen Flüssigkeit.
Mischanlage mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, einer mit dem Zulauf (2) der Vorrichtung in Verbindung stehenden Wasserzufuhr, einer mit dem Einlass (5) der Vorrichtung in Verbindung stehenden Bentonitzufuhr und einer mit dem Ablauf (3) der Vorrichtung in Verbindung stehenden Pumpe.
Mischanlage gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Hochdruckpumpe.