DE19502879A1

DE19502879A1 - In-situ gas permeability determination in test borehole

Info

Publication number: DE19502879A1
Application number: DE1995102879
Authority: DE
Inventors: Werner Borho
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-01

Abstract

A method of in-situ determination of gas permeability in test boreholes involves: (a) pumping off or injecting gas, at low pressures sufficient to prevent liq. phase migration, from or into a borehole portion separated from the atmos. by a sealing system; and (b) measuring the gas pressure in the separated borehole portion and the withdrawal or injection rate of the induced gas flow.

Description

Bei der Sanierung von Kontaminationen mit leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen der ungesättigten Bodenzone durch Bodenluftabsaugung ist die Luftleitfähigkeit des Untergrundes ein wichtiger Parameter für die Bemessung entsprechender Anlagen. Auch für viele bodenkundliche Fragestellung hinsichtlich der Luftversorgung ist die Kenntnis dieser Größe unbedingt erforderlich. Ebenso bei allen anderen technisch-wissenschaftlichen Problemen im Zusammenhang mit dem Gastransport in porösen Medien, sei es ein natürlicher Untergrund, Aufschüttungen, künstliche Haufwerke oder ein Müllkörper. Die Luftleitfähigkeit ist dabei eine Funktion der Geometrie des angetroffenen Porenraumes und seiner Phasenbelegung entweder an Wasser, leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen oder anderen benetzenden Flüssigkeiten.When cleaning up contaminations with volatile halogenated The hydrocarbons of the unsaturated soil zone through soil air extraction is the Air conductivity of the subsurface is an important parameter for the dimensioning corresponding facilities. Also for many geological questions regarding the Air supply, knowledge of this size is essential. Likewise with everyone other technical-scientific problems related to the Gas transport in porous media, be it a natural surface, fillings, artificial piles or a garbage can. The air conductivity is a function either the geometry of the pore space encountered and its phase assignment Water, volatile halogenated hydrocarbons or other wetting Liquids.

Bisher wird die Gasleitfähigkeit entweder in-situ durch Luftpumpversuche bestimmt, bei denen aber schon ein installierter Luftbrunnen vorhanden sein muß, so daß die Luftleitfähigkeit erst ermittelt werden kann, nachdem eine Absauganlage installiert wurde, oder im Labor an ungestörten Proben. Die Entnahme der ungestörten Proben ist außerordentlich aufwendig und entsprechend teuer. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Berechnung der Luftleitfähigkeit aus der Leitfähigkeit gegenüber einem anderen Fluid auf der Grundlage von allgemein anerkannten physikalischen Gesetzen. So kann sie durch Sieblinienauswertung z. B. nach BEYER und anschließender Umrechnung berechnet werden. Die so errechneten Luftleitfähigkeiten gelten dann aber nur für trockene poröse Medien. Die realen Luftleitfähigkeiten sind aber geringer, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Flüssigkeitssättigung (z. B. Wassersättigung), so daß die Kenntnis dieses Zusammenhanges und die Messung der Wassergehalte erforderlich sind um die in-situ Gasleitfähigkeit zu bestimmen. In der DIN-Vorschrift 19682, Januar 1972, wird ein Verfahren zur Bestimmung der Luftleitfähigkeit vorgeschlagen. Es ist sehr umständlich zu handhaben und die Berechnungsformel, die nur für Zylinderproben im Labor gilt, wurde unrichtigerweise einfach auf das Verfahren übertragen. In der Erdöl- und Erdgasgeologie sind Verfahren zur in-situ Bestimmung von Gasleitfähigkeiten an Bohrlöchern im Einsatz, die aber aufgrund der auftretenden Drücke einen hohen technischen Aufwand und komplizierte Auswerteverfahren benötigen. Zu hohe Drücke führen zusätzlich zu Migrationen der im Medium enthaltenen Flüssigkeiten, so daß die ermittelten Leitfähigkeiten verfälscht werden.So far, the gas conductivity has been determined either in-situ by air pump tests, at but which must already have an installed air well, so that the Air conductivity can only be determined after an extraction system is installed or in the laboratory on undisturbed samples. The undisturbed samples are taken extraordinarily complex and correspondingly expensive. Another possibility is in the calculation of the air conductivity from the conductivity against another Fluid based on generally accepted physical laws. So she can by sieve line evaluation z. B. according to BEYER and subsequent conversion be calculated. The air conductivities calculated in this way only apply to dry porous media. However, the real air conductivities are lower, namely in Dependence on the respective liquid saturation (e.g. water saturation), so that the Knowledge of this relationship and the measurement of water content are required to determine the in-situ gas conductivity. In the DIN regulation 19682, January 1972, a method for determining the air conductivity is proposed. It is very cumbersome to use and the calculation formula that only for cylinder samples in the Laboratory applies, was incorrectly simply transferred to the process. In the petroleum and natural gas geology are methods for the in-situ determination of gas conductivities Drill holes in use, but a high due to the pressures that occur need technical effort and complicated evaluation procedures. Pressures too high additionally lead to migrations of the liquids contained in the medium, so that the determined conductivities are falsified.

Die Erfindung besteht darin, die Luftleitfähigkeit analog der aus der Grundwasserhydraulik bekannten Methode der Auffüllversuche nach KOLLBRUNNER (1946) und MAAG (1941) zu bestimmen. Die Messungen erfolgen an Bohrlöchern, die in unterschiedlicher Weise abgeteuft sein können. Bei sehr bindigem Substrat müssen eventuell auftretende Verdichtungen an der Bohrlochwandung, die durch den Bohrvorgang entstehen können, durch im Handel erhältliche Schaber entfernt werden. Den Versuchsaufbau zeigt die Prinzipskizze der beigefügten Abbildung. Über ein Rohr (8), das mit Öffnungen (6) versehen ist, wird aus einem durch ein Doppel- oder Einfachpackersystem (5) bzw. (11) abgetrennten Bohrlochbereich Luft durch eine Pumpe (1) abgesaugt oder injiziert. Es wird der Druck (3) sowie die Gasdurchflußrate (2) gemessen. Die Luftleitfähigkeit kann mittels der folgenden einfachen Formel berechnet werden. Sie gilt nur für geringe aufgebrachte Über- oder Unterdrücke, die aber ohnehin Bestandteil der Verfahrensidee sind, da höhere Drücke zu den erwähnten Verfalschungen durch Migration der Flüssigphase führen würden.The invention consists in determining the air conductivity analogously to the method of replenishment experiments known from groundwater hydraulics according to KOLLBRUNNER (1946) and MAAG (1941). The measurements are carried out on boreholes, which can be sunk in different ways. In the case of a very cohesive substrate, any densifications that may occur on the borehole wall, which can arise as a result of the drilling process, must be removed using commercially available scrapers. The schematic diagram of the attached figure shows the experimental setup. Via a pipe (8), which is provided with openings (6), air is sucked by a pump (1) or injected from a separated by a double or single packer system (5) or (11) wellbore region. The pressure ( 3 ) and the gas flow rate ( 2 ) are measured. Air conductivity can be calculated using the following simple formula. It only applies to low applied excess or negative pressures, which are part of the process idea anyway, since higher pressures would lead to the above-mentioned falsifications due to migration of the liquid phase.

wobei:in which:

Q = Durchflußrate [m³/s]
µ = kinematische Viskosität der Luft [Pa s]
r = wirksamer Radius [m]
P = gemessener Über-/Unterdruck [Pa]
k = effektive Permeabilität [m²]Q = flow rate [m³ / s]
µ = kinematic viscosity of the air [Pa s]
r = effective radius [m]
P = measured over / under pressure [Pa]
k = effective permeability [m²]

Der wirksame Radius r ist abhängig vom Radius des Bohrloches und von den Abmessungen des Packers und muß genaugenommen für jeden Packertyp und dem gewünschten Bohrlochdurchmesser anhand eines Mediums bekannter Leitfähigkeit (z. B. Normsand, genormte Filtermedien) einmalig durch Eichung ermittelt werden. Dies kann durch den Hersteller gewährleistet werden oder vom Anwender selbst durchgeführt werden. Das so geeichte System steht dann für Messungen zur Verfügung. Wird auf eine Eichung verzichtet, kann als sehr gute Näherung r = l (siehe Abbildung) gesetzt werden. The effective radius r depends on the radius of the borehole and on the Dimensions of the packer and strictly speaking for each packer type and that desired borehole diameter using a medium of known conductivity (e.g. Standard sand, standardized filter media) can be determined once by calibration. This can can be guaranteed by the manufacturer or carried out by the user himself will. The system thus calibrated is then available for measurements. Will on a No calibration, can be used as a very good approximation r = l (see figure).

Kontrollmessungen haben dies bestätigt. Bei Verwendung eines Einfachpackers gewährleistet ein Distanzhalter (10) die Reproduzierbarkeit der Geometrie des erfaßten Bohrlochabschnittes (9).Control measurements have confirmed this. When using a simple packer, a spacer ( 10 ) ensures the reproducibility of the geometry of the recorded borehole section ( 9 ).

Es können sämtliche handelsüblichen Einfach- und Doppelpackersysteme verwendet werden. Deren Versorgung (4) kann über eine elektrisch oder handbetriebene Pumpe oder über Druckluftflaschen erfolgen. Im Falle hochkontaminierter Bodenluft wird zum Schutz des Anwenders, bzw. um teure Abluftfilter zu vermeiden, eher eine Luftinjektion als eine Absaugung in Frage kommen. Beide Arten der Versuchsdurchführung sind möglich und führen zu den gleichen Ergebnissen. Die verwendete Pumpe sollte deshalb mit einem Umpolschalter versehen sein. Die gewünschten geringen Drücke (etwa 1 bis 30 hPa) erfordern eine ebenso geringe Leistungsfähigkeit des Förderaggregates, so daß ein leichtes Gerät mit Akkuversorgung eine hohe Mobilität und Unabhängigkeit, sowie eine einfache Handhabung gewährleisten kann (z. B. akkubetriebene Handstaubsauger). Die Verwendung von Luft statt Wasser wie in herkömmlichen Auffüllversuchen verhindert auch eine unerwünschte Mobilisierung von Schadstoffen. Die Messung des Durchflusses kann alternativ mit Rotametern, Flügelradanemometern oder Methoden, die den Energieverlust erhitzter Sensoren in der Strömung zur Bestimmung heranziehen, erfolgen. Die exakte Druckmessung im genannten Druckbereich ist technisch ebensowenig ein Problem. Da verschiedene Rohrlängen bei sehr unterschiedlichen Teufen bei den Messungen verwendet werden müssen, (verschraubbare Rohrstücke mit Dichtungen) sollte der Drucksensor nach Möglichkeit unten im Rohr, etwa kurz oberhalb der Eintrittsöffnungen angebracht sein, um den Druckverlust auf dem Weg im Rohr nicht mitzumessen. Unter Umständen führt dies zu einer unverhältnismäßigen Verteuerung des Gerätes und zu einer Komplizierung in der Handhabung. Die Fehler die durch eine Druckmessung am Rohrende entstehen sind vernachlässigbar, wenn die Rohrlänge ein bestimmtes Maß nicht überschreitet und die Weite des Rohres angemessen gewählt wird. Die Gruppe, bestehend aus dem Aggregat und den Meßgeräten kann im Unterschied zur Abbildung auch über einen flexiblen Schlauch mit dem Rohr des Packersystems verbunden werden. Dies erleichtert die Handhabung. All standard single and double packer systems can be used. Their supply ( 4 ) can take place via an electrically or manually operated pump or via compressed air cylinders. In the case of highly contaminated soil air, to protect the user or to avoid expensive exhaust air filters, an air injection rather than an extraction system is more likely. Both types of experimentation are possible and lead to the same results. The pump used should therefore be provided with a reversing switch. The desired low pressures (about 1 to 30 hPa) require an equally low performance of the conveyor unit, so that a light device with battery supply can ensure high mobility and independence, as well as easy handling (e.g. battery-operated hand-held vacuum cleaner). The use of air instead of water as in conventional replenishment attempts also prevents undesired mobilization of pollutants. The flow can alternatively be measured using rotimeters, vane anemometers or methods that use the energy loss of heated sensors in the flow for the determination. The exact pressure measurement in the mentioned pressure range is technically no problem either. Since different pipe lengths must be used for the measurements at very different depths (screwable pipe sections with seals), the pressure sensor should, if possible, be installed at the bottom of the pipe, just above the inlet openings, so as not to measure the pressure loss along the way in the pipe. Under certain circumstances, this leads to a disproportionate increase in the price of the device and to complications in handling. The errors caused by a pressure measurement at the end of the pipe are negligible if the pipe length does not exceed a certain dimension and the width of the pipe is chosen appropriately. In contrast to the figure, the group consisting of the unit and the measuring devices can also be connected to the tube of the packer system using a flexible hose. This makes handling easier.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem jetzigen Stand der Technik sind folgende:
Die Luftleitfähigkeit kann mit dem beschriebenen Verfahren schneller und einfacher als bisher bestimmt werden. In der Regel werden im Zuge von Vorerkundungsmaßnahmen bei Altlastensanierungen ohnehin Sondierungsbohrungen durchgeführt. Mit einem sehr geringen Zeitaufwand läßt sich mit der Methode gewissermaßen nebenher und vor allem vor der Erstellung von Absaugbrunnen der für die Bemessung der Anlagen wichtige Parameter Luftleitfähigkeit noch dazu tiefenorientiert mit guter Genauigkeit feststellen. Dadurch können Barrieren oder bevorzugte Wegsamkeiten (die aufgrund der geologischen Ansprache nicht immer, und wenn, dann nur qualitativ erkannt werden) schon im Vorfeld genau lokalisiert und quantifiziert werden. Teure Korrekturen von Sanierungskonzepten können so öfter vermieden und die Effizienz der Absaugungen gesteigert werden.The advantages of the invention over the current state of the art are as follows:
The air conductivity can be determined faster and more easily than before using the method described. As a rule, exploratory drilling is carried out in the course of preliminary investigation measures for remediation of contaminated sites. With a very short amount of time, the method can be used to determine the parameters of air conductivity, which are important for the dimensioning of the systems, in a depth-oriented manner and with good accuracy, especially before the construction of a suction well. As a result, barriers or preferred pathways (which due to the geological approach are not always recognized, and if so, only qualitatively) can be precisely localized and quantified in advance. Expensive corrections to renovation concepts can thus be avoided more often and the efficiency of the extraction systems increased.

Teure Korngrößenanalysen, aus denen bisher mehr schlecht als recht auf die Luftleitfähigkeit geschlossen wurde, können eingespart werden, wenngleich diese auch aus anderen Gründen dennoch weiterhin, aber eben nicht mehr so oft, gemacht werden müssen.Expensive grain size analyzes, from which so far more bad than right on the Air conductivity has been closed can be saved, although this too for other reasons, nevertheless, but not as often anymore have to.

Die Entnahme von ungestörten Bodenproben zur Ermittlung der Luftleitfähigkeit wird durch das neue Verfahren vollkommen entbehrlich. Die Qualität der Ergebnisse ist besser, der Aufwand um ein Vielfaches geringer.The taking of undisturbed soil samples to determine the air conductivity completely unnecessary with the new process. The quality of the results is better, the effort many times less.

Mit dem geschilderten Verfahren ergeben sich auch neue Möglichkeiten in der Forschung:
Es kann in-situ der Einfluß des Wassergehalts auf die Luftleitfähigkeit untersucht werden, wie das bislang, besonders im Hinblick auf die hohe räumliche Auflösung des Verfahrens, noch nicht möglich war. Auch der Bereich der Agrarwissenschaften und der Bodenkunde wird um ein einfaches, schnelles und zuverlässige Werte lieferndes Verfahren bereichert, um beispielsweise die Luftversorgung von Böden zu ermitteln. Die zitierte DIN-Vorschrift 19682 muß in diesem Zusammenhang durch das hier dargestellte Verfahren ersetzt werden.The described procedure also opens up new research opportunities:
The influence of the water content on the air conductivity can be investigated in a way that was not possible until now, especially with regard to the high spatial resolution of the method. The field of agricultural sciences and soil science is also enriched with a simple, fast and reliable method that provides values, for example to determine the air supply to soils. In this context, the quoted DIN regulation 19682 must be replaced by the method described here.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, bei genügend trockenen, porösen Medien aus der mit dem Verfahren ermittelten Luftleitfähigkeit auch die hydraulische Leitfähigkeit berechnen zu können. Damit erhält man einen zusätzlichen Kontrollwert über die anderen hydraulischen Verfahren und ist von einer Wasserversorgung unabhängig. Ist gar die Funktion, mit der die Luftleitfähigkeit eines bestimmten porösen Mediums von seinem Wassergehalt abhängt und der Wassergehalt selbst bekannt, kann mit der Methode, auch in nicht trockenen porösen Medien die hydraulische Leitfähigkeit schnell bestimmt werden.Another advantage is that with enough dry, porous media from the the air conductivity determined using the method also calculate the hydraulic conductivity to be able to. This gives you an additional control value over the others hydraulic process and is independent of a water supply. It's even that Function with which the air conductivity of a particular porous medium from its Water content depends and the water content itself can be known using the method, too Hydraulic conductivity is quickly determined in non-dry porous media will.

Das Verfahren besticht durch seine einfache und schnelle Ausführbarkeit bei sehr geringen Gestehungskosten. Überdies erübrigt sich eine Neuentwicklung von Geräten, da alle notwendigen Bestandteile in ausgereifter Form im Handel erhältlich sind. Lediglich die Integration der erforderlichen Komponenten in eine leichte und robuste, kleine, tragbare Gruppe, die nur noch über einen flexiblen Schlauch mit dem Packersystem verbunden zu werden braucht, muß von einem Anbieter noch verwirklicht werden.The method impresses with its simple and quick feasibility at low production costs. Moreover, there is no need to develop new devices because all necessary components are available in the market in mature form. Only the integration of the necessary components in a light and robust, small, portable group that only has a flexible hose with the packer system needs to be connected must still be realized by a provider.

Claims

1. A method for in-situ determination of the gas conductivity at boreholes, characterized in that from a part of a borehole that is separated from the atmosphere by a sealing system, gas is sucked off via a pump or at pressures which are small enough to prevent migration of the liquid phase is injected and the gas pressure in the separated part of the exploratory borehole and the suction or injection rate of the induced gas flow are measured.

2. The method according to claim 1, characterized in that the gas conductivity is calculated using the following formula: in which:
Q = suction or injection rate [m³ / s]
r = effective radius [m]
p = measured overpressure or underpressure [Pa]
k = effective permeability [m²]
µ = kinematic viscosity of the gas [Pa s]

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the measuring part of the probe borehole opposite with the help of a double packer system the atmosphere is sealed.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the measuring part of the probe borehole opposite with the help of a simple packer system the atmosphere is sealed.

5. The method according to claim 1, 2 and 4, characterized in that a spacer an exact positioning of the simple packer compared to the Borehole end for reproducibility of the geometry of the packaged Borehole space allows.

6. The method according to claim 1 and 2, characterized in that is the effective radius r in equation (1), that for any other combination of Packer type and drill diameter is different, by calibration on one Medium of known conductivity is determined.

7. The method according to claim 1 and 2, characterized in that instead of a calibration, the effective radius r in equation (1) is equal to the length of the packaged borehole area / is selected. For sufficiently accurate results to achieve, the length of the packaged borehole area / should no longer be twice the effective radius r.

8. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the gas is sucked off or injected through a pipe.

9. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the gas is extracted or injected through an elastic hose.

10. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the flow and pressure measuring devices and the pump unit in a portable, from Electricity network independent unit merged and via a flexible Hose are connected to the packer system.