Verfahren und Technologien zum Zementieren von Brunnen: Wie man die Verfüllmasse herstellt und einbringt

Nach dem Bohren des Brunnens in lockeren Sandböden beginnt die Phase, die auf die Verstärkung der Rohre der Verrohrung abzielt. Gleichzeitig soll der Schacht vor Beschädigung, aggressiver Einwirkung von Grundwasser, Korrosion und anderen negativen Erscheinungen geschützt werden. Es handelt sich um einen Prozess, der als Zementieren von Brunnen bezeichnet wird.

Die Zementierungsarbeiten selbst durchzuführen ist recht schwierig, aber möglich, wenn man über Kenntnisse der Technologien verfügt. Wir erklären Ihnen, warum eine Zementierung durchgeführt werden sollte und worauf bei der Arbeit zu achten ist. Zur Veranschaulichung enthält das Material thematische Fotos und Videos.

Warum einen Brunnen zementieren?

Zementieren des Bohrlochs – ein Prozess, der unmittelbar nach Abschluss der Bohrarbeiten folgt. Das Zementierverfahren besteht darin, dass in den Ringraum oder den Zwischenraum (falls das Futterrohr seinerseits in ein breiteres Polyethylenrohr eingebettet ist) Zementmörtel eingebracht wird, der mit der Zeit aushärtet und einen monolithischen Bohrlochstamm bildet.

Die Zementmischung wird in diesem Fall als “Verfüllmasse” bezeichnet, und der Prozess selbst als “Verfüllen”. Ein komplexer ingenieurtechnischer Prozess, der als Zementierungstechnologie für Brunnen bezeichnet wird, erfordert bestimmte Kenntnisse und spezielle Ausrüstung.

In den meisten Fällen können Wasserquellen mit eigenen Händen verfüllt werden, was viel günstiger ist, als Spezialisten zu beauftragen.

Die Zementierung von Brunnen ist eine Reihe von Maßnahmen, die auf die Verstärkung des Ringraums und der Verrohrung gegen den zerstörerischen Seitendruck des Gesteins und die Einwirkung von Grundwasser abzielen.

Eine korrekt durchgeführte Verfüllung von Wasserbrunnen trägt bei zu:

• Gewährleistung der Festigkeit der Brunnenkonstruktion;
• Schutz des Brunnens vor Grund- und Oberflächenwasser;
• Verstärkung des Futterrohrs und Schutz vor Korrosion;
• Erhöhung der Nutzungsdauer der Wasserquelle;
• Beseitigung von großen Poren, Hohlräumen, Spalten, durch die unerwünschte Partikel in den Grundwasserleiter gelangen könnten;
• Verdrängung der Bohrspülung durch die Zementmischung, falls erstere beim Bohren verwendet wurde.

Die Qualität des geförderten Wassers und die Betriebseigenschaften des Bohrlochs hängen davon ab, wie fachgerecht die Zementierung durchgeführt wird. Auch bei stillgelegten Bohrlöchern, die nicht mehr genutzt werden, wird eine Zementierung vorgenommen.

Schritte der Zementierung der Wasserquelle

Der gesamte Zementierungsprozess besteht aus mehreren Schritten, die jeweils ihre eigenen Besonderheiten aufweisen:

1. Herstellung der Zementschlämme zum Verfüllen des Ringraums.
2. Zuführung des vorbereiteten Zements zum Bohrloch.
3. Einpumpen der Zementschlämme in den Ringraum.
4. Aushärtezeit der Zementschlämme.
5. Prüfung der Zementierungsqualität.

Jeder Schritt erfordert den Einsatz bestimmter Werkzeuge und Spezialgeräte. Berechnen Sie den Materialbedarf am besten vor Beginn der Abdichtungsarbeiten, da der Abdichtungsprozess kontinuierlich ablaufen muss und wenn Ihnen beispielsweise die Zementschlämme ausgeht, wirkt sich dies äußerst negativ auf die Zementierungsqualität aus. Die wichtigsten Schritte werden im Folgenden näher erläutert.

In seltenen Fällen benötigen wasserführende Bohrlöcher keine Zementierung; es handelt sich um Bohrlöcher, deren gesamte Tiefe in dichten Tonböden verläuft.

Schritt Nr. 1 – Vorbereitung der Ausrüstung

Alle Arbeiten zur Zementierung wasserführender Bohrlöcher sind streng nach den technischen Anforderungen durchzuführen, deren Verletzung zu einer minderwertigen Zementierung führt.

Bevor Sie mit der Abdichtung des Bohrlochs beginnen, sollten Sie wissen, dass es sich um einen irreversiblen Prozess handelt. Nach dem Start des Einpressens der Schlämme in den Ringraum ist nichts mehr zu korrigieren. Daher müssen Sie die Vorbereitungsarbeiten, insbesondere die Herstellung der Zementschlämme und die Auswahl der Ausrüstung, mit größter Sorgfalt durchführen.

Der einfachste und effektivste Weg ist die Anmietung von Geräten auf einer Fahrzeugplattform. Eine solche Anlage kann die Zementschlämme herstellen und unter Druck in das Bohrloch pumpen, wobei die Energiequelle für den Betrieb der Anlage ein leistungsstarker Automotor ist.

Wenn der Einsatz von Aggregaten auf Basis von Spezialfahrzeugen nicht möglich ist, benötigen Sie:

• einen Mischer zur Herstellung der Zementmörtelmischung;
• eine Hochdruckpumpe, die die Mischung zum Bohrloch fördert;
• einen Zementierkopf zum Einpumpen der Mischung in das Bohrloch;
• Stopfen (die Anzahl hängt von der Zementierungsmethode ab);
• verschiedenes kleines Inventar (Schläuche, Messbehälter).

Als Schlauch empfehlen viele Fachleute anstelle der traditionellen PE-Rohre mit 32 cm Durchmesser den Einsatz eines flexiblen Feuerwehrschlauchs. Dieser ist flach und lässt sich hervorragend im Ringraum verlegen, wodurch eine effiziente Förderung der Mischung gewährleistet wird.

Die Ausrüstung zur Zementierung von Bohrlöchern hat große Abmessungen und erfordert eine leistungsstarke Energiequelle, wie einen Kompressor, einen Generator oder einen unterbrechungsfreien Zugang zum Stromnetz.

Schritt Nr. 2 – Herstellung der Mischung

Der Zementmörtel für die Zementierung des Bohrlochs muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen und folgende Eigenschaften aufweisen:

• hohe Hafteigenschaften mit Oberflächen aller Art;
• hohe Festigkeit nach dem Aushärten, Beständigkeit gegen mechanische Einwirkungen;
• Plastizität und gute Fließfähigkeit, um alle Risse und Hohlräume zu füllen;
• chemische Neutralität gegenüber den zu zementierenden Bodenschichten;
• Beständigkeit gegen Auswaschung durch Grundwasser;
• keine Schrumpfung beim Erhärten.

Außerdem muss die Mischung eine solche Konsistenz aufweisen, dass sie problemlos zum Bohrloch transportiert und eingepumpt werden kann. Die Mischung sollte sich gut von der Ausrüstung abwaschen lassen, dieser gegenüber nicht chemisch aggressiv sein und einen minimalen Verlustkoeffizienten beim Transport zum Bohrloch aufweisen.

Der verwendete Zementmörtel muss eine ausreichend flüssige Struktur aufweisen, um mit der Druckausrüstung gefördert werden zu können, und gleichzeitig hohe Festigkeitseigenschaften besitzen.

Der Prozess der Herstellung eines Zementmörtels für die Zementierung besteht im gleichmäßigen Mischen der Bestandteile, gefolgt von der Zugabe von Wasser, in dem zuvor spezielle Zusätze gelöst wurden.

Die einfachsten Mischungen, die selbst hergestellt werden können, sind:

1. Portlandzement + Quarzsand (1:1) + spezielle Zusätze und Wasser bis zur gewünschten Konsistenz. Diese Mischung hat eine geringe Dichte und ihre Herstellung ist aufwändig, da der enthaltene Sand häufig ausfällt und die Verwendung der Mischung unmöglich wird.
2. Portlandzement + Baryt (1,1:1) + spezielle Zusätze und Wasser. Der Nachteil dieser Mischung – geringe Festigkeit.
3. Portlandzement + Füllstoff. Als Füllstoff werden Asbest (bei sandigen Böden) oder faserige Materialien verwendet.

Für die Herstellung der Zementiermischung verwendet man am besten Portlandzement für die Abdichtung, eine Art von Zement auf Silikatbasis.

Dieser Zement ist zwar teurer als gewöhnlicher Portlandzement, aber seine Festigkeitseigenschaften sind wesentlich höher als die von gewöhnlichem Zement. Baryt – ein schweres Mineral, das die Dichte der Lösung erhöht. Baryt kann man in einem Baumarkt kaufen, der Schüttgüter für den Bau handelt.

Unter den speziellen Zusatzstoffen, die in den Zementiermischungen enthalten sind, versteht man verschiedene Substanzen, die der Lösung besondere Eigenschaften verleihen.

Dazu gehören:

• Erstarrungsbeschleuniger des Zements (Calciumchlorid, kalzinierte Soda, Pottasche), die verwendet werden, wenn die Zementierung bei Temperaturen unter +5 Grad erfolgt;
• Erstarrungsverzögerer, die verwendet werden, um schnelles Erhärten zu verhindern (dies sind Calcium- oder Natriumchloride, Natriumnitrit usw.);
• Weichmacher zur Erzielung einer optimalen Viskosität (polymerbasierte Modifikatoren);
• frostbeständige Zusätze (siliziumorganische Verbindungen in Verbindung mit Weichmachern);
• feuchtigkeitsabsorbierende Zusätze (Substanzen, die aus Verbindungen der Gruppen von Zucker-, Zitronen-, Wein- und Tetraoxyadipinsäure gewonnen werden) usw.

Die speziellen Zusätze werden in Wasser eingerührt, das später zur Herstellung der Zementiermischung verwendet wird. Die Lösung wird mit speziellen Maschinen gemischt – Mischern. Manchmal ist manuelles Mischen erlaubt, erfordert jedoch eine gewisse Geschicklichkeit und hohen Arbeitsaufwand.

Der Zementstein, der beim Erhärten von Portlandzement entsteht, weist hohe Festigkeitseigenschaften auf, hält Belastungen, mechanischen und physikalischen Einwirkungen stand.

Schritt Nr. 3 – Einbringen der Mischung in den Brunnen

Die wichtigsten Methoden der Bohrlochzementierung sind:

• durchgehend oder einstufig;
• zweistufig;
• Manschettenzementierung;
• umgekehrt.

Alle Zementiermethoden für Wasserentnahmebohrungen basieren auf einem Prinzip – dem Einpressen der Zementiermischung in den Ringraum. Dabei hängt die Wahl der Zementiertechnologie von den konkreten Bedingungen ab: Bodenart, Bohrlochtiefe, Material der Verrohrung, klimatische und hydrogeologische Bedingungen des Standorts.

Die gewählte Technologie der Bohrlochabdichtung muss Folgendes gewährleisten:

• die Füllung des gesamten Bohrlochquerschnitts über die gesamte Tiefe mit der Lösung;
• vollständiges Verdrängen der Spülflüssigkeit (falls vorhanden);
• die Bildung eines hochfesten Zementsteins, der gegen physikalische, mechanische und chemische Einwirkungen beständig ist;
• eine hohe Haftung an den Bodenwänden des Bohrlochs und den Verrohrungen.

Bei tiefen Bohrlöchern wird eine segmentale Zementierung angewendet, d.h. es wird nicht der gesamte Bohrlochquerschnitt auf einmal zementiert, sondern nur einzelne Segmente.

Dieser Prozess ist sehr komplex und die Praxis zeigt, dass es nahezu unmöglich ist, ihn eigenständig durchzuführen. Daher betrachten wir die Technologie des ein- und zweistufigen sowie des Manschettenzementierens genauer.

Einstufiges oder durchgehendes Zementieren

Diese Methode wird am häufigsten zum Zementieren von häuslichen Wasserbrunnen verwendet. Bei ihrer Umsetzung wird die Zementschlämme in den Ringraum gepumpt.

Die Lösung wird unter Druck mit Hilfe von Geräten eingepumpt, die auf der Plattform eines Spezialfahrzeugs oder stationär in der Nähe des Brunnens installiert sind. Die Zementschlämme bewegt sich aufgrund ihres Eigengewichts zum “Schuh” der Verrohrung und füllt alle Ringräume.

Die Arbeiten zum einstufigen Zementieren werden in einem Zyklus ohne Unterbrechungen durchgeführt, daher muss für eine ausreichende Menge an Zementschlämme gesorgt werden.

Vor Beginn der Zementierungsarbeiten wird eine Bohrlochspülung durchgeführt, dann wird der untere Stopfen eingeführt, der als Begrenzer dient. Die Betonpumpe wird eingeschaltet und das Einpumpen der Abdichtlösung beginnt, unter deren Einwirkung der Stopfen absinkt, bis er den “Schuh” der Futterrohrkolonne erreicht.

Nach dem Einpumpen der Schlämme wird ein oberer Stopfen eingesetzt und die Verdichtung der Zementmischung beginnt, bis der obere Stopfen auf den unteren trifft. Dies bedeutet, dass die Schlämme den gesamten Ringraum gefüllt hat. Die Verdichtung erfolgt mit einer Vibrationseinheit durch Nachpumpen der Schlämme mit der Betonpumpe.

Der zementierte Brunnen wird für 36-48 Stunden in Ruhe gelassen, damit die Schlämme vollständig aushärten kann. Diese Methode eignet sich nur für flache, in der Konfiguration gerade Brunnen. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass der Zeitpunkt, zu dem die Zementschlämme den unteren Punkt des Brunnenschafts erreicht hat, nicht nachverfolgt werden kann.

Zweistufiges Einfüllsystem

Diese Zementierungsmethode wurde für Brunnen der Erdölindustrie entwickelt. Da sie den Einsatz schwerer Industrieausrüstung (einer leistungsstarken Betonpumpe) erfordert, wird sie bei der Brunnenausrüstung nicht häufig angewendet. Das zweistufige Zementieren wird in folgenden Fällen eingesetzt:

• Die Zementschlämme bindet so schnell ab, dass das Zementieren nicht in einem Zyklus abgeschlossen werden kann;
• wenn zwei Abschnitte im Ringraum voneinander getrennt werden müssen, die durch eine beträchtliche Distanz voneinander getrennt sind;
• bei großer Brunnentiefe, wenn die Arbeiten nicht in einem Zyklus durchgeführt werden können.

In anderen Fällen ist die Anwendung des zweistufigen Verfahrens aufgrund der langen Prozessdauer und der wirtschaftlichen Kennzahlen nicht sinnvoll.

Das zweistufige Zementieren dauert länger, da die zweite Stufe erst nach vollständiger Aushärtung des Zementmörtels der ersten Stufe begonnen wird.

Das Prinzip des zweistufigen Zementierens basiert darauf, dass die Zementeinpressung in den Ringraum in zwei Schritten erfolgt.

Die erste Charge Zementmörtel wird eingefüllt und verpresst. Der untere Stopfen wird abgesetzt, der unter dem Druck der Lösung auf den Boden sinkt. Die zweite Charge wird 12–36 Stunden später, nach vollständiger Aushärtung der ersten Charge, eingepresst.

In der Praxis des Tiefbohrens artesischer Brunnen wird bei Vorhandensein von absorbierenden Schichten im oberen Teil des geologischen Profils und in anderen Fällen das zweistufige Zementieren angewandt.

Anwendung der Manschettenmethode

Diese Zementiermethode wird verwendet, wenn nur der obere Teil des Bohrlochs verstärkt werden muss. Die erste Aufgabe besteht dabei darin, das Niveau zu bestimmen, bis zu dem zementiert wird.

Das Niveau wird an der Verrohrung durch Anbringen einer speziellen Manschette markiert. Der untere Teil der Strecke wird dabei zuverlässig durch die Manschette vor dem Eindringen des Zementmörtels geschützt.

Die Lösung wird genauso eingepresst wie beim einstufigen Zementieren. Die Manschettenmethode wird dann angewandt, wenn der obere Teil des Bohrlochs in sandigen Böden und der untere Teil in tonigen Böden liegt. Dies kommt relativ selten vor, daher hat diese Methode keine weite Verbreitung gefunden.

Prozess der Bildung des Zementsteins

Der Prozess der Zementsteinbildung beginnt unmittelbar nach dem Einpressen des Zementmörtels und dauert 12 bis 36 Stunden. Die wichtigsten Faktoren, die die Dauer der Aushärtung der Lösung bis zum Zementstein beeinflussen:

• Eigenschaften der Bestandteile der Lösung;
• Böden, Material der Verrohrungen;
• hydrogeologische und klimatische Bedingungen vor Ort;
• Einpressdichte, korrekte Durchführung des Zementierprozesses.

Während der Aushärtungszeit muss das Bohrloch in Ruhe gelassen werden. Es ist verboten, Seile, Brechstangen oder Draht zur Bewertung der Zementierungsqualität zu verwenden, da dies die Integrität des entstehenden Zementsteins beeinträchtigen kann.

Wenn Sie nicht wissen, wie lange der Zementmörtel zum vollständigen Abbinden benötigt, warten Sie drei Tage und beginnen Sie mit den Kontrollmessungen.

Bewertung der Zementierungsqualität

Es ist anzumerken: Obwohl die Bewertung der Zementierungsqualität von Wasserbrunnen eine sehr wichtige Phase ist, kann sie nicht eigenständig durchgeführt werden.

Für ihre Durchführung ist spezielle Laborausrüstung erforderlich, die selbst bei Bohrorganisationen nur selten vorhanden ist.

Falls Sie dennoch eine Bewertung der durchgeführten Zementierung vornehmen möchten, können Sie die Qualitätskontrolle auf eine der drei folgenden Arten bestellen:

• akustisch, basierend auf dem Abklopfen der Wände der Verrohrung, mit anschließender Verarbeitung der gewonnenen Daten durch Computerprogramme;
• radiologisch, bei dem die Messung mit Radiogeräten erfolgt;
• thermal, basierend auf dem Prinzip der Messung der beim Erhärten der Zementlösung freigesetzten Wärme.

Unter “häuslichen” Bedingungen können Sie die vereinfachte thermische Methode anwenden, indem Sie die Temperatur an den Wänden des Bohrlochs messen. Wenn sie der Umgebungslufttemperatur entspricht und um 0,5–1,5 Grad niedriger wird, kann von vollständiger Aushärtung gesprochen werden. Selbst danach wird jedoch empfohlen, 2–3 Tage zu warten und erst dann das Bohrloch in Betrieb zu nehmen.

Nach Abschluss der Überprüfung wird die Bohrlochmündung mit Hilfe einer Bohrlöffel von Zementmörtelresten gereinigt. Anschließend wird eine Dichtheitsprüfung durchgeführt, bei der 30 Minuten lang Wasser mit hohem Druck in das Bohrlochrohr gepumpt wird. Das Kriterium für die Dichtheit ist ein Druckabfall von etwa 0,3-0,5 MPa. Nun ist das Bohrloch vollständig betriebsbereit.

Die Dichtigkeit der Zementierung erhöht die Ergiebigkeit des Bohrlochs, verlängert die Lebensdauer der Verrohrung, indem sie sie vor Korrosion schützt, sowie des Wasserquells selbst.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

In den unten aufgeführten Videos geht es um Bohrlöcher in der Erdöl- und Erdgasindustrie, aber das technologische Prinzip der Arbeiten ist das gleiche wie für Wasserbohrlöcher.

Verfahren der einstufigen Zementierung eines Bohrlochs:

Besonderheiten der Manschettenzementierung:

Technologische Besonderheiten der zweistufigen Zementierung:

Zementierung – ein komplexer Prozess, der den Einsatz spezieller Technik erfordert. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine Durchführung in Eigenregie unmöglich ist. Wenn Sie die Zementmischung auswählen und richtig vorbereiten und einen minimalen Satz an Aggregaten verwenden, können Sie die Arbeit durchaus selbst bewältigen.

Auf jeden Fall wird der Betrieb eines Bohrlochs ohne Zementverstärkung des Schachts nicht lange dauern, und die Kosten für das Bohren einer neuen Wasserquelle sind keineswegs geringer.

Falls Sie nach dem Studium des Materials noch Fragen zur korrekten Zementierung eines Bohrlochs nach dem Bohren haben oder über wertvolle Kenntnisse zu diesem Thema verfügen, hinterlassen Sie bitte Ihre Kommentare im unten stehenden Block.