DE19725996C2

DE19725996C2 - Verfahren und Bohrlochsystem zur Förderung von Wasser aus einem im wesentlichen vertikalen Bohrloch

Info

Publication number: DE19725996C2
Application number: DE19725996A
Authority: DE
Inventors: Robert R Talley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: US5771976A; DE19725996A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung von Wasser aus einem im wesentlichen vertikalen Bohrloch, das sich von der Oberfläche nach unten in einen unterirdischen Grundwasser leiter erstreckt, sowie ein Bohrlochsystem zur Förderung von Wasser aus einem Grundwasserleiter mit einem vertikalen Bohr loch, das sich von der Oberfläche in den Grundwasserleiter erstreckt und in dem eine Pumpe installiert ist.

Wasserbohrlöcher mit hoher Mengenleistung werden beispiels weise für die landwirtschaftliche Bewässerung oder für kom merzielle, industrielle oder städtische Versorgung verwendet. In dieser. Fällen kann eine Wassermengenleistung von mehr als 945.000 l pro Tag erforderlich sein. Eine wesentliche Verbes serung der Mengenleistung kann durch eine horizontale Fertig stellung erreicht werden, wie sie in den US-Patenten 5,289,888, 5,343,965 und 5,396,950 beschrieben ist, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird. Von oben gesehen verändert die Förderung durch ein längliches horizontales Filterrohr den Querschnitt des Absenkvolumens des Grundwasserleiters von ei nem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt bei einer ver tikalen Fertigstellung zu einem länglichen Rechteck bei einer horizontalen Fertigstellung, wobei die Länge des Rechtecks ungefähr der Länge des Förderfilterrohres entspricht.

Eine horizontale Fertigstellung erhöht die Wasserfördermenge bei einem unbegrenzten Grundwasserleiter mit einer Dicke von 12 m um den Faktor 2, wenn ein 30 m langes Förderfilterrohr verwendet wird. Bei Verwendung eines Filterrohres von 120 m Länge wird die Förderleistung um das 7,6-fache erhöht. Solche Erhöhungen werden bei Verwendung des gleichen Absenkdrucks er reicht. Die Absenkung kann natürlich um diese Faktoren ver ringert werden, wenn die gleiche Mengenleistung mit einer horizontalen Bohrlochfertigstellung wie bei einer vertikalen Fertigstellung gefördert wird. Beispielsweise kann mit einem vertikalen Bohrloch in einem Grundwasserleiter Wasser mit einem Durchsatz von 567 l pro Minute gefördert werden, wohin gegen ein horizontales Bohrloch im gleichen Grundwasserleiter mit einem 60 m langen Förderfilterrohr 2.150 l pro Minute fördern kann.

Viele Tausende von vertikalen Bohrungen wurden beispielsweise in dem Ogallala Grundwasserleiter fertiggestellt, der für ungefähr 30% der natürlichen Grundwasserversorgung verantwort lich ist, die für die landwirtschaftliche Bewässerung in den Vereinigten Staaten verwendet wird. Jedes Bohrloch erzeugt einen Entnahmetrichter in dem Grundwasserspiegel, der die Mengenleistung begrenzt. Darüber hinaus hat sich die Schicht an gesättigtem Wasser dieses Grundwasserleiters in vielen Jahrzehnten aufgrund einer unzureichenden Wiederauffüllung verringert. Die einzige Lösung des Problems der verringerten Wassermengenleistung in der Vergangenheit war mehr und mehr vertikale Bohrlöcher zu bohren und fertigzustellen, was so hohe Kosten mit sich bringt, daß diese Lösung ökonomisch nicht mehr vertretbar ist.

Die DD 65 377 beschreibt ein Verfahren zur Förderung von Wasser aus einem im wesentlichen vertikalen Bohrloch, das sich von der Oberfläche nach unten in einen unterirdischen Grund wasserleiter erstreckt. Mehrere kleinkalibrige Schrägbohrungen sind entsprechend den hydrogeologischen Verhältnissen so zu der großkalibrigen Vertikalbohrung geführt, daß diese einen gemeinsamen Brunnen bilden und eine weitgehend gleiche Reich weite aller Grundwasserleiter herbeigeführt wird. Die Schräg bohrungen sind hierzu gezielt so angeordnet, daß sie senkrecht zur Grundwasserfließrichtung verlaufen und dann in den Ver tikalbrunnen einmünden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Bohrlochsystem zur Förderung von Wasser aus einem Grund wasserleiter bereitzustellen, mit denen hohe Fördermengen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Die Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß durch ein Bohrloch system mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst, das gemäß Patentanspruch 7 vorteilhaft weitergebildet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Bohrlochsystem wird durch Anordnung eines horizontalen Bohrlochs an einem bestehenden vertikalen Bohrloch eine stark verbesserte Wasser fördermengenleistung aus einem Grundwasserleiter bei einer Gesamteinsparung der Fertigstellungskosten erreicht.

Wenn der Abstand der zwei nahe aneinander vorbeilaufenden Bohrlöcher nicht größer als ungefähr 5% des effektiven Entwäs serungsradius des vertikalen Brunnens beträgt, kann die Was serfördermengenleistung deutlich erhöht werden. Der Absenk druck oder der Druckgradient, der durch den Betrieb der Pumpe erzeugt wird, sorgt dafür, daß das meiste Wasser so gepumpt wird, daß es in Richtung des horizontalen Förderfilterrohres wandert und darin eintritt, wobei das horizontale Förderfil terrohr der Wasserströmung fast keinen Widerstand bietet. Dann strömt das Wasser in Richtung des vertikalen Bohrlochs. In dem Bereich, an dem die beiden Förderfilterrohre nahe aneinander vorbeilaufen, strömt das Wasser aus dem horizontalen Förder filterrohr in das Innere der vertikalen Bohrlochbohrung, wo es durch die Pumpe unter Druck zu Oberfläche angehoben wird. Das horizontale Förderfilterrohr kann in dem Grundwasserleiter angeordnet werden, wie dies in einem oder mehreren der oben genannten Patente beschrieben ist. Dies kann auch durch ver schiedene Richtbohrtechniken erfolgen, die zum Einführen von Rohren verwendet werden, wenn widrige Umstände wie z. B. Stra ßenwegerechte oder Flüsse vorliegen. Verschiedene Richtboh rungstechniken können für das Bohrloch verwendet werden, bei denen Bohrmotoren eingesetzt werden. Sobald sich das horizon tale Förderfilterrohr an seinem Platz befindet, wird seine Bohrung jenseits des inneren Endes seiner mit Schlitzen ver sehenen oder perforierten Länge zugestopft. Die Verbesserung der Wasserfördermengenleistung ist dramatisch und das Bohr system ist verglichen mit den Gesamtkosten für das Bohren von mehreren zusätzlichen vertikalen Bohrlöchern zu Erhaltung äquivalenter Verbesserungen sehr kostensparend.

Die Mengenleistung wird auch dadurch verbessert, daß die Form des Absenkungsbereichs eines bestehenden vertikalen Bohrlochs, das sich in einen Grundwasserleiter erstreckt, von einer Kreisform zu der Form eines länglichen Rechtecks verändert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische seitliche Querschnittsansicht durch einen unterirdischen Grundwasserleiter mit einem Bohr lochsystem, das zum Pumpen von Wasser aus dem Grund wasserleiter angeordnet ist;

Fig. 2 eine rechte Seitenansicht von Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Erhöhung der Fördermengenlei stung zeigt, die durch die Erfindung erreicht wird.

Fig. 1 zeigt ein vertikales Wasserbohrloch 10, das sich von der Bodenfläche 11 in einen Grundwasserleiter 12 nach unten erstreckt, dessen Dicke beispielsweise 12 m betragen kann. Der Grundwasserleiter 12 ist normalerweise eine nicht verdichtete Schicht aus Sand und Kies mit einer guten Porosität und hoher Durchlässigkeit und mit undurchlässigen Schichten 13, 14 aus Schiefer, die oberhalb bzw. unterhalb angeordnet sind. Obwohl die meisten guten Grundwasserleiter aus Sand bestehen, beste hen manche Grundwasserleiter aus Kalkstein mit Durchgängen, die durch Auflösung vergrößert sind. Die Oberseite des Grund wasserleiters 12 liegt häufig ungefähr 90 m unterhalb der Oberfläche 11. Das Bohrloch 10 ist normalerweise mit einem Casing 15 ausgefüttert, das an seinem untersten Abschnitt ein Fördersieb oder Filterrohr 16 aufweist, das tief in dem Grund wasserleiter 12 angeordnet ist. Eine Art, Wasser aus dem Bohr loch 10 zu pumpen, besteht darin, einen Motor 17 auf dem Ca singkopf 18 an der Oberfläche 11 zu befestigen, der eine Längswelle 20 antreibt. Das untere Ende der Längswelle 20 ist mit einer Pumpe 21 verbunden, die in das Filterrohr 16 gesetzt ist und Wasser, das durch die Öffnungen in dem Sieb 16 strömt, in das Casing 15 saugt, wo es dazu gezwungen wird, nach oben und durch einen Oberflächenauslaß 22 unter Druck zu strömen. Alternativ kann das Wasser durch eine elektrische Tauchpumpe oder eine andere Vorrichtung mit hoher Leistung gefördert werden. Die Linie 25 stellt die Oberseite der gesättigten Schicht des Sandes 12 (Grundwasserspiegel) dar. Die Oberfläche 26 stellt grob ein konisches Sandvolumen dar, das viel Luft enthält, da fast das ganze Wasser während des normalen Be triebsverlaufs daraus durch Pumpen entfernt wurde. Die Ober fläche 26 kann außerdem zur Bezeichnung eines Entnahmetrich ters verwendet werden. Von oben gesehen ist die Form eines horizontalen Querschnitts durch den Absenkbereich in der gesättigten Schicht des Grundwasserleiters 12 insgesamt ein Kreis mit einem Durchmesser, dessen Radius dem effektiven Entwässerungsradius Re entspricht.

Erfindungsgemäß wird ein horizontales oder fast horizontales Bohrloch 30 zusammen mit dem vertikalen Bohrloch 10 verwendet, um die Wasserförderrate zu erhöhen. Wie es in den US-Patenten 5,289,888 und 5,396,950 beschrieben ist, kann das Bohrloch 30 einen oberen Abschnitt 31, der vertikal gebohrt und dann mit einem Casing 32 ausgefüttert ist, einen Biegungsabschnitt 33 mit einem äußeren Ende, dessen Achse im wesentlichen horizon tal ausgerichtet ist, und einen länglichen Förderabschnitt oder ein Filterrohr 34 aufweisen, das auf geeignete Weise mit einem Sieb versehen oder perforiert ist, um einen Zugang von Wasser zu ermöglichen, wohingegen Sand und Kies abgehalten werden. Der Förderabschnitt 34 ist an seinem äußeren Ende auf geeignete Weise verstopft. Der vertikale Abschnitt 31 und der Biegungsabschnitt 33 sind bezüglich des bestehenden vertikalen Bohrlochs 10 so angeordnet, daß sich der innere Endabschnitt 36 des Förderfilterrohres 34, wie gezeigt etwas über die vertikalen Bohrung 10 hinaus erstreckt und sehr nahe daran liegt. Ein Brückenpfropfen 35 ist vorzugsweise in der Nähe des Anfangs der Wasserströmungsschlitze oder Öffnungen in den Förderabschnitt 34 eingesetzt.

Bezugnehmend auf die Fig. 2 sollte der Abstand d zwischen der jeweiligen Längsachse der zwei Abschnitte 16,34 nicht mehr als ungeführ 60 cm betragen, um optimale Ergebnisse zu erreichen. Die Fördermengenerhöhung E einer horizontalen Bohrlochfertig stellung im Vergleich zu einer vertikalen Bohrlochfertigstel lung kann folgendermaßen ausgedrückt werden

wobei L die Länge des horizontalen Förderfilterrohres und Re der effektive Entwässerungsradius eines vertikalen Bohrlochs ist.

Der Faktor Re ist eine Funktion gewisser Grundwasserleiterpa rameter, wie z. B. der hydraulischen Leitfähigkeit, der spe ziellen Festigkeit und der Dicke. Für einen normalen Grund wasserleiter gilt K = 2.440 l/Tag/m² und S = 0,15. Bei einem nicht eingeschlossenen Grundwasserleiter mit einer Dicke von 12 m wird folgende Erhöhung der Mengenleistung bei verschiede nen Längen des horizontalen Förderfilterrohres erreicht.

L
E
30 m	1,9
45 m	2,9
60 m	3,8
90 m	5,7
120 m	7,6

In einem Fall, in dem ein vertikales Bohrloch in einen 12 m dicken Grundwasserleiter eindringt und eine Höchstfördermen genleistung von 567 l/min. hat, fördert ein horizontales För derfilterrohr 34 mit einer Länge von 60 m in dem gleichen Grundwasserleiter 2.155 l/min. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Verbesserung bei verschiedenen Längen von Förderfilterrohren 34, wobei die oben genannten Parameter angenommen werden. Es wird nicht nur bei Verwendung der glei chen Absenkung die Fördermengenleistung erhöht, sondern die Absenkung kann auch wesentlich reduziert werden, wenn mit der gleichen Förderleistung gefördert wird, wie bei einem ver tikalen Bohrloch.

Betriebsweise

Um die Mengenförderleistung eines bestehenden vertikalen Bohrlochs 10 deutlich zu verbessern, das gebohrt, fertigge stellt und durch die Pumpe 21 in Betrieb gesetzt worden ist, ist das zugeordnete horizontale Bohrloch 30 wie beschrieben ausgebildet. Für eine relativ oberflächennahe Bohrlocheinrich tung kann der horizontale Abschnitt 34 der Förderleitung durch bekannte Verfahren zur Verlegung von Rohren unter widrigen Umständen, wie z. B. bei Straßenwegeverordnungen und Flüssen in ihrer Lage angebracht werden. Der Eintrittspunkt des Bohr kopfes ist deutlich weiter entfernt, als es durch die Phantom linien 38 in Fig. 1 gezeigt ist, so daß der Eintrittswinkel des Eintrittsbohrlochs ungefährt 15° oberhalb der Horizontalen liegt. Der Bohrkopf wird so gesteuert, daß er deutlich vor dem vertikalen Bohrloch 10 mit einem im wesentlichen horizontalen Bohren beginnt. Der Bohrkopf wird dann weiterhin in seiner Richtung so gesteuert, daß das Bohrloch nur ein paar Fuß (ein Fuß beträgt 30,5 cm) oder noch näher an dem Bohrloch 10 vor beiläuft. Beträchtlich tiefere horizontale Bohrlöcher können mit einer Ölfeldrichtbohrungstechnologie und entsprechenden Werkzeugen gebohrt werden, einschließlich eines Unterbohr lochmotors und eines gebogenen Übergangsstücks. Eine automati sche Telemetrie der Richtsignale zu der Oberfläche einschließ lich des Neigungswinkels und des Azimuts ermöglicht eine sehr nahe Anäherung des horizontalen Abschnitts 34 zu dem vertika len Bohrloch 10. Das vielleicht ökonomischste Verfahren zur Bildung des horizontalen Bohrlochs 30 erfolgt gemäß der Offen barung in dem US-Patent 5,343,065, in dem ein flexibler 90°- Rohrbogen durch den vertikalen Abschnitt des Bohrlochs ge drückt und dann an seinen Platz gespült oder gespritzt wird, um den Übergang zur Horizontalen zu schaffen. Dann wird ein flexibler, jedoch normalerweise gerader Förderabschnitt mit einer gewählten Länge um die Biegung gedrückt und entlang der Horizontalen in den Grundwasserleiter gespült. Einzelne Schuß beobachtungen können dann gemacht werden, wenn die gebogene Leitung hineingespült wird, um sicherzustellen, daß der hori zontale Förderabschnitt nahe an dem Förderfilterrohr 16 des vertikalen Bohrlochs 10 vorbeigeht, wenn er installiert ist. Sobald das äußere oder untere Ende des Biegungsabschnittes 33 mit einem geeigneten brückenartigen Dichtungsstück verstopft ist, kann die Pumpe 21 in dem vertikalen Bohrloch 10 gestartet werden, um eine verbesserte Wasserfördermengenleistung zu erreichen. Der Teil des Bohrlochs 30 nach dem Pfropfens 35 ist ausdehnbar und kann herausgezogen werden, um ihn irgendwo anders zu benutzen.

Durch die vorliegende Erfindung wird nicht nur die Wasser fördermengenleistung erhöht. Ihre Verwendung verbessert außer dem die künstliche Wiederauffüllung eines Grundwasserleiters durch Pumpen von Wasser aus einer anderen Quelle oder einem anderen Reservoir, um den Grundwasserspiegel zu erhöhen.

Der Absenkdruck, der durch den Betrieb der Pumpe 21 verursacht wird, kann seitlich entlang des gesamten Bereichs des hori zontalen Bohrlochs ausgedehnt werden, um eine verbesserte För derleistung zu erreichen. Eine bedeutende Strömung von Wasser aus dem inneren Abschnitt 36 des Förderfilterrohres 34 in das Sieb 16 des vertikalen Bohrlochs 10 existiert in dem Bereich 40, in dem diese zwei Abschnitte am nächsten aneinander lie gen, wobei der Abstand so nah sein sollte, wie es praktisch möglich ist, da insbesondere die Druckabsenkung des vertikalen Bohrlochs 10 sich von dem Bohrloch nach außen in radialer Richtung logarithmisch verringert.

Andere Vorteile des hier offenbarten Bohrlochsystems liegen darin, daß die bestehende Pumpeninstallation nicht beeinträch tigt werden muß, solange keine Pumpe mit höherer Leistung erforderlich ist, und daß die Pumpe vertikal betrieben wird, wobei diese Orientierung die Lebensdauer der Lager und der gleichen erhöht. Die Kosten zur Ausbildung des horizontalen Bohrlochs 30 bilden nur einen Bruchteil der Kosten zum Bohren und Fertigstellen einer großen Anzahl von zusätzlichen ver tikalen Bohrlöchern, die erforderlich wären, um eine äqui valente verbesserte Förderleistung zu erreichen.

Claims

1. Verfahren zur Förderung von Wasser aus einem im wesentli chen vertikalen Bohrloch(10), das sich von der Oberfläche (11) nach unten in einen unterirdischen Grundwasserleiter (12) erstreckt, bei dem ein im wesentlichen horizontales Bohrloch (30) mit beträchtlicher Länge so angeordnet wird, daß es nahe an dem vertikalen Bohrloch (10) vorbeiläuft, und Wasser aus dem vertikalen Bohrloch (10) gepumpt wird, das hauptsächlich über das horizontale Bohrloch (30) aus dem Grundwasserleiter (12) abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale Bohrloch (30) ein äußeres Ende, das von dem vertikalen Bohrloch (10) entfernt ist, und ein inneres Ende (36) aufweist, das daran angrenzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale Bohrloch (30) Abschnitte (31, 33) aufweist, die sich zur Oberfläche (11) nach oben erstrecken und die oberen Abschnitte (31, 33) an einer Stelle (35) abge schlossen werden, die an das innere Ende (36) des horizon talen Bohrlochs (30) angrenzen.

4. Verfahren zur Wiederauffüllung eines Grundwasserleiters (12), in den sich ein vertikales Bohrloch (10) erstreckt, bei dem ein längliches horizontales Bohrloch (30) so ausgebildet wird, daß es sich längs des Grundwasserleiters (12) so erstreckt, daß es nahe an dem vertikalen Bohrloch (10) vorbeiläuft, und Wasser aus einer Quelle an der Ober fläche (11) in das vertikale Bohrloch (10) und dann in den Grundwasserleiter (12) hauptsächlich über das horizontale Bohrloch (30) gepumpt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzeste Abstand zwischen dem horizontalen Bohrloch (30) und dem vertikalen Bohrloch (10) nicht mehr als ungefähr 5% des Entwässerungsradius des vertikalen Bohrlochs (10) beträgt.

6. Bohrlochsystem zur Förderung von Wasser aus einem Grund wasserleiter (12) mit
einem vertikalen Bohrloch (10), das sich von der Ober fläche (11) in den Grundwasserleiter (12) erstreckt und in dem eine Pumpe (21) installiert ist und
einer horizontalen Bohrlochfertigstellung (30) mit einem Wasserförderabschnitt (34), der sich längs innerhalb des Grundwasserleiters (12) erstreckt, wobei der Wasser förderabschnitt (34) einen Teil aufweist, der nahe an dem vertikalen Bohrloch (10) vorbeiläuft und diesem Wasser zuführt, das in den horizontalen Wasserförder abschnitt (34) durch den Betrieb der Pumpe (21) geför dert wird.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzeste Abstand zwischen dem horizontalen Wasserförder abschnitt (34) und dem vertikalen Bohrloch (10) nicht mehr als ungefähr 5% des Entwässerungsradius des vertikalen Bohrlochs (10) beträgt.