Development of a suitable binder for salt mine drilling

Ziel dieser Arbeit war es, das Verhalten und die Eigenschaften von Zement-Sole-Mischungen für die Abdichtung von Bohrlöchern in salzhaltigen Gestein bei einer Umgebungstemperatur von 8 °C zu untersuchen.
Die Zielrezeptur sollte nach 72 Stunden eine Druckfestigkeit von mindestens 10 MPa erreichen, eine ausreichende Pumpfähigkeit aufweisen sowie ein definiertes Expansionsverhalten zeigen, um Salzauflösung entgegenzuwirken und eine zuverlässige Bohrlochabdichtung sicherzustellen.
Zu Beginn wurde der Stand der Technik erfasst und die bisherigen Ergebnisse des Auftraggebers bewertet. Es zeigte sich, dass herkömmliche Zementmischungen in Kombination mit gesättigter Sole typischerweise ein verzögertes Erhärtungsverhalten und eine reduzierte Festigkeitsentwicklung aufweisen. Diese Beobachtungen wurden auch in der Literatur bestätigt. Allerdings beziehen sich die meisten verfügbaren Studien auf Zementierungsanwendungen in größeren Tiefen und bei erhöhten Temperaturen und sind daher nur eingeschränkt auf den vorgesehenen Anwendungsfall übertragbar.
Die Versuchsreihen umfassten eine systematische Serie von Laborversuchen mit gesättigten NaCl-Solen. Die Zement-Sole-Mischungen wurden mit unterschiedlichen Dosierungen von Beschleuniger, Fließmittel und dem expandierenden Additiv SRA 150 modifiziert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Soletemperatur (30 °C, 40 °C und 50 °C) untersucht. Weder die Zugabe von Zusatzmitteln noch die thermische Modifikation der Sole führten zu einer signifikanten Verbesserung der Frühfestigkeit auf das Zielniveau von ≥10 MPa nach 72 Stunden.
Ein wesentliches Ergebnis ergab sich aus dem Vergleich der Marsh-Trichter-Zeiten. Identische Mischungen wiesen im Eirich-Labor-Mischer deutlich höhere Fließzeiten auf als beim Mischen und Pumpen mit der HÄNY-Injektionspumpe, die vor Ort bei der Salinen Austria AG eingesetzt wurde. Dies zeigt, dass Marsh-Trichter-Messungen nur eingeschränkte Aussagekraft für die Beurteilung der Pumpfähigkeit unter Praxisbedingungen besitzen. Daher wurde der Fokus der Bewertung auf die Entwicklung der Druckfestigkeit gelegt.
Weitere Untersuchungen beinhalteten einen Vergleich von KCl- und NaCl-basierten Systemen mit unterschiedlichen Dosierungen. KCl-haltige Mischungen erzielten dabei durchgängig höhere Festigkeitswerte. Aus wirtschaftlichen Gründen wurde jedoch eine verdünnte NaCl-Sole mit 16 % Konzentration für die weitere Optimierung ausgewählt, da diese vor Ort verfügbar war. Bemerkenswert ist hierbei, dass verdünnte NaCl-Solen bessere Festigkeitsentwicklungen zeigten als entsprechende Mischungen mit in Wasser gelöstem Reinsalz (NaCl).
In der finalen Optimierungsphase wurde der Einfluss der Beschleuniger-Dosierung anhand von Thermoelementmessungen und Druckfestigkeitsprüfungen bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Dosierung von 2 % ausreichend war, um eine verlässliche Frühfestigkeit zu erzielen. Eine Erhöhung auf 3 % führte lediglich zu marginalen Verbesserungen.
Zur Bewertung des Effekts des expandierenden Additivs SRA 150, das überwiegend aus CaO besteht, wurde die Kontaktfestigkeit gemessen. Dabei zeigte sich eine signifikante Steigerung der Kontaktspannung bei Zugabe von 5 % SRA 150 im Vergleich zu einer Mischung ohne SRA 150.