DE19945852A1 - Vorrichtung zur Erfassung der Grundwasserströmung in Bohrbrunnen - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohrbrunnen weist obere und untere Abschlußelemente (2a, 2b) auf, die im Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen denen ein Meßabschnitt (3) gebildet ist, der im wesentlichen frei durchströmt werden kann, wobei die Abschlußelemente (2a, 2b) Mittel zum Abdichten des Bohrbrunnens aufweisen, so daß im Meßabschnitt (3) keine vertikalen Strömungen auftreten. Die Vorrichtung ist weiterhin versehen mit einer Lichtquelle (LQ) zum Ausleuchten des Meßbereiches und mit einem Bilderfassungselement (12), das das Bild eines Meßbereiches (10) innerhalb des Meßabschnitts erfaßt. Zwischen dem Bilderfassungselement (12) und dem zu beobachtenden Bereich ist mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung (5) angeordnet, die mit ihrem freien Ende in den Meßabschnitt (3) bis unmittelbar vor den Meßbereich (10) hineinragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, daß die Strömung im wesentlichen unbeeinflußt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohr­ brunnen. Bekannte Vorrichtungen weisen einen oberes und ein unteres Abschlußelement auf, die im Abstand voneinander angeordnet sind, und zwischen denen ein Meßab­ schnitt gebildet ist, der im wesentlichen frei durchströmt werden kann.

Bei den bekannten Vorrichtungen wie in der DE 42 30 919 A1 wird die Strömung durch natürliche Schwebstoffe oder dem Grundwasser zugesetzte Markierungspartikel sichtbar, die mit einem Element zur Bilderfassung visualisiert werden. Die Standortveränderungen der mitgeführten Schwebpartikel werden durch die kontinuierliche Beobachtung oder Vergleich mehrerer aufeinanderfolgender Bildaufnahmen in Richtung und Geschwindig­ keit ausgewertet. Die Vermessung erfolgt in einem mit einer Lichtquelle ausgeleuchteten, durch Abschlußelemente isolierten Bohrbrunnenabschnitt, der den Meßabschnitt dar­ stellt. Diese Abschlußelemente weisen Mittel zum Abdichten des Meßabschnittes gegen­ über dem oberen und unteren Bohrbrunnenbereich auf. Das Bilderfassungselement so­ wie eine Optik zur Beobachtung der Strömung ist in den Abschlußelementen integriert. Ein innerhalb des Meßabschnitts gebildeter Meßbereich wird durch den mit der Optik betrachteten Bildebenenausschnitt definiert. Der Meßbereich ist in der Vertikalen durch den optischen Tiefenschärfebereich eingegrenzt. Um eine Beeinflussung der Durchströ­ mung durch die Abschlußelemente zu unterbinden, liegt der Meßbereich idealerweise in der vertikalen Mitte des Meßabschnitts.

Ein in der Praxis auftretendes Problem ist die Eintrübung des Grundwassers nach Ein­ fahrung des Meßsystems in den Bohrbrunnen, wodurch es zu einer Beeinträchtigung der Sichtbarkeit aufgrund des Bildabstandes zwischen Meßbereich und Optik kommt. In die­ sem Fall ist eine nachteilige Wartezeit zu berücksichtigen, während der sich ein Teil der Trübstoffe im Meßabschnitt absetzen kann und die Sichtbarkeit wieder hergestellt ist. Darüber hinaus ist es bei bekannten Vorrichtungen nachteilig, daß die vor dem CCD- Sensor eingesetzte Optik relativ große Abmessungen aufweist. Denn der Abstand zwi­ schen der in einem Abschlußelement angeordneten Optik und dem mittig in Meßab­ schnitt gelegenen Meßbereich bedingt eine baulich entsprechend große optische Vor­ richtung, was beispielsweise den Einsatz der Vorrichtungen in kleinkalibrigen Brunnen einschränkt. Ein weiterer Nachteil, der sich aus dem Abstand zwischen Meßbereich und optischem System ergibt, ist die Erfassung lediglich eines geringen Streuwinkels des von den Schwebstoffen rückgestreuten Lichtes. Dies bedingt eine teilweise unzureichende Lichtausbeute zur Visualisierung der Schwebstoffe.

Es gilt eine Vorrichtung zu schaffen, die eine gute Beobachtung der Schwebstoffe im Meßbereich trotz einer Eintrübung zuläßt.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, bei der die optische Übertragung zwi­ schen dem Bilderfassungselement und dem zu beobachtenden Bereich über eine rohr­ förmige optische Vorrichtung erfolgt. Diese ragt mit Ihrem freien Ende in den Meßab­ schnitt bis unmittelbar vor den Meßbereich hinein und ist von der Gestalt und Abmes­ sungen so konstruiert, daß sie die Strömung in nicht beeinflußt. Vorzugsweise hat sie die Form eines schmalen, runden Rohres.

Die Bildaufnahme erfolgt unmittelbar an dem Meßbereich, wodurch eine kürzerer opti­ scher Weg durch das Strömungsmedium erreicht wird und somit eine verbesserte Sicht­ barkeit des Meßbereiches bei Eintrübung des Strömungsmediums gegeben ist. Durch den geringeren Bildabstand kann ein größerer Rückstreuwinkel des von den Schweb­ stoffen rückgestrahlten Lichtes erfaßt werden, was eine höhere Lichtausbeute gewährlei­ stet.

Durch den kurzen optischen Weg zwischen der optischen Vorrichtung und dem Meßbe­ reich kann die optische Vorrichtung mit geringen baulichen Abmessungen ausgeführt sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen betreffen die optische Vorrichtung, wobei in der rohrförmi­ gen optischen Vorrichtung ein Linsensystem angeordnet ist, das an seinem freien Ende durch ein Beobachtungsfenster abgeschlossen ist um das System so vor erhöhtem Au­ ßendruck zu schützen. Denkbar ist hierbei auch die Positionierung des Bilderfassungs­ elementes unmittelbar in dem rohrförmigen optischen Element.

Alternativ kann die rohrförmige optische Vorrichtung ein optisches Element in Form ei­ nes Lichtleiters aufweisen. Dies gestattet eine flexible Führung des zu übertragenden Bil­ des zum Bilderfassungselement. Dies ermöglicht auch eine variable Positionierung der Vorrichtung im Meßabschnitt mit dem Ziel, die Durchströmung an mehreren Stellen im Meßabschnitt zu betrachten. Durch die Verwendung eines Lichtleiters ist weiterhin eine geringere Druckempfindlichkeit gegenüber dem Außendruck gegeben.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung betrifft die Ausstattung des Meßabschnittes mit ei­ nem porösen Körper mit offenzelliger Struktur, der vorzugsweise mindestens eine Aus­ sparung zur Aufnahme der optischen Vorrichtung sowie einen Hohlraum aufweist, in dem sich der zu betrachtende Meßbereich befindet.

Bei der Durchströmung des Meßabschnittes mit Geschwindigkeiten, bei denen Turbulen­ zen auftreten, kann durch die Ausbildung von Turbulenzwalzen in dem Durchströ­ mungsbild keine Messung erfolgen. Durch die Verwendung des porösen Körpers können Turbulenzerscheinungen unterbunden werden, wodurch das gleichförmige Strömungs­ bild erhalten bleibt und stabilisiert wird. Die Durchlässigkeit des porösen Körpers ist so gewählt, daß die Strömungsrichtung und Geschwindigkeit kaum beeinflußt wird. Bei den im Grundwasser und im Meßabschnitt auftretenden Geschwindigkeiten können bei­ spielsweise offenzellige Schaumstoffelemente mit 6-10 ppi (pores per inch) eingesetzt werden. Die Größe des Hohlraumes ist so gewählt, daß eine ausreichende Sichtbarkeit des Meßbereiches durch die optische Vorrichtung gegeben ist und das die Strömung im Meßbereich nicht durch die unmittelbar umgebende Struktur des porösen Körpers be­ einflußt ist.

Um thermische Konvektionen im Meßabschnitt und der Umgebung durch die Beleuch­ tung zu unterbinden, sind zur Beleuchtung Kaltlichtquellen wie Laser- oder Blitzlicht vor­ gesehen. Diese sind so angeordnet, das sie einerseits keine Wärmeverluste in den Meßabschnitt abgeben, andererseits den Meßabschnitt vollständig ausleuchten können. Alternativ kann deren Licht durch Lichtleitersysteme bis unmittelbar an den Meßbereich herangeführt werden.

Zur Visualisierung der Strömung können dem Grundwasser im Meßabschnitt bedarfs­ weise Markierungsstoffe in Form feiner, suspendierender Partikel über eine Dosiervor­ richtung zugeführt werden.

In Fig. 1 bis 4 sind beispielhaft Ausführungsformen dargestellt.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Sonde.

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Meßbereiches und der rohrförmigen optischen Vorrichtung der Sonde aus Fig. 1.

Fig. 3 Durchströmungssituation von Bohrbrunnen in Porengrundwasserleitern.

Fig. 4 Darstellung des Meßabschittes, des Meßbereiches und der rohrförmigen opti­ schen Vorrichtung der Sonde aus Fig. 1 mit porösem Körper.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sonde 20 eines Meßsystems. Die Sonde 20 wird über ein Halteseil 1 mit integrieren Steuer- und Datenleitungen geführt. Der Meß­ abschnitt 3 ist durch den frei durchströmbaren Abstand zwischen zwei Packern 2a, 2b ausgeführt, um die Sonde 20 in einem Bohrbrunnen zu fixieren. Hierfür können die Packer 2a, 2b in bekannter Weise aufgepumpt werden, so daß sie den gesamten Quer­ schnitt des Bohrbrunnens ausfüllen und sich an die Wandung anlegen. Somit werden auch störende Vertikalströmungen im Bohrbrunnen unterbunden. Die Packer 2a, 2b sind über drei verschraubte Verbindungsstreben 4 miteinander verbunden. Die Streben sind als Hohlrohre ausgeführt und dienen dem Zweck die Packer 2a, 2b auf einen definierten Abstand, der Höhe des Meßabschnittes 3, zueinander zu halten und Steuerleitungen zu dem unteren Packer 2b durchzuführen. In den Meßabschnitt ragt ein Linsensystem 5 hinein, welches in Fig. 2 dargestellt ist. Aus dem unteren Packer 2b heraus ragt eine Do­ siervorrichtung 6 in den Meßabschnitt 3 hinein, aus der bedarfsweise Partikel zur Strö­ mungsmarkierung ausgegeben werden können. Über ein lichtübertragendes Element L wird der Meßbereich von einer in dem oberen Abschlußelement 2a integrierten Licht­ quelle LQ ausgeleuchtet. Das Element ist als Glasfaserleitung ausgeführt und ragt bis unmittelbar an den Meßbereich heran.

Fig. 2 zeigt das in einem druckdichten Rohr 5 untergebrachte Linsensystem, an dessen distalen Ende ein druckdichtes Beobachtungsfenster 5a und eine Sammellinse 5b einge­ setzt ist, über die das Bild des Meßbereiches 10 erfaßt wird und über weitere, in dem Rohr befindlichen Linsen 5c weitergeleitet wird. Dieses System endet innerhalb des obe­ ren Packerabschnittes 2a mit mehreren Streulinsen 5d, über die das Bild des Meßberei­ ches auf ein CCD-Sensor 12 projiziert wird. Das hier generierte Bild wir über eine ange­ schlossene Kameraeinheit 13 in Datensignale gewandelt und für eine Weiterverarbei­ tung der Bildsignale ausgegeben. Die Größe des Meßbereiches 10 wird in der Hori­ zontalen durch den Blickwinkel der optischen Vorrichtung 5a, 5b, 5c bestimmt, in der Vertikalen durch den Tiefenschärfebereich in der Bildebene 7. In dem Meßbereich 10 befinden sich Schwebstoffe 11, die korrespondierend zur Strömung den Meßbereich passieren. Von unterhalb der Bildebene 7 ragt die Dosiervorrichtung 6 mittig an den Meßbereich 10 heran. Die Beleuchtung des Meßbereiches 10 erfolgt über das Element L, das bis unmittelbar an den Meßbereich herangeführt ist. Der Abstand des Beobach­ tungsfensters 5a vom Meßbereich 10 ist sehr gering. Der optische Weg im Medium ist daher kurz, so daß die Eintrübung des Mediums nicht zu einer Beeinträchtigung der Be­ obachtung führt. Der Lichtaustritt aus Element L erfolgt ebenfalls in geringem Abstand zum Meßbereich, so daß die Beleuchtung nicht durch eine Eintrübung beeinträchtigt wird.

Fig. 3 zeigt eine Durchströmungssituation des Bohrbrunnenquerschnitts A in dem Meß­ abschnitt 3 auf Höhe des Meßbereiches 10. Die hier umgebende Formation stellt einen Porengrundwasserleiter (Sand, Kies) dar, wodurch sich im Meßabschnitt idealerweise ei­ ne axialsymmetrische Durchströmungsgeometrie ausbildet. Die Bohrbrunnenwandung ist hierbei mit einem Filterrohr A ausgekleidet. Die Hauptdurchströmung B folgt der media­ nen Linie und entspricht der Grundwasserströmung in der umgebenden Formation. Das in der Mitte des Meßabschnittes erfaßte Strömungsbild 10 wird, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, über die rohrförmige optische Vorrichtung erfaßt und zu einem Bilderfas­ sungselement weitergeleitet. Über eine Bildfolge kann die Strömungsrichtung 10a und -geschwindigkeit ermittelt werden.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Sonde 20, die insbesondere bei ho­ hen Strömungsgeschwindigkeiten wegen der Möglichkeit der Verfälschung der Messung durch Turbulenzen eingesetzt wird. Hier ist der Meßabschnitt mit einem porösen, offen­ zelligen Körper 14 ausgefüllt. Der poröse Körper 14 weist eine Aussparung zur Aufnah­ me der rohrförmigen optischen Vorrichtung 5 und dem lichtübertragenden Element L sowie einem Hohlraum 15 auf, in dem sich der Meßbereich befindet. Die Durchströ­ mung durch den porösen Körper 14 wirkt sich bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und auftretenden Turbulenzen vorteilig auf eine Strömungsstabilisierung im Meßab­ schnitt aus. Ohne daß es zu einer Beeinflussung der Meßergebnisse kommt, kann das Auftreten von Turbulenzen im Meßabschnitt 3 unterbunden werden und die Strömung stabil gemessen werden.

Bei einem typischen Einsatz im Bohrbrunnen in einem Porengrundwasserleiter wird die Sonde 20 in den Bohrbrunnen eingebracht und in der Untersuchungstiefe durch Auf­ pumpen der Packer 2a, 2b an der Wandung fixiert. Nach Wiederherstellung der natürli­ chen Strömungssituation, die durch Einbringung der Sonde 20 gestört wurde, wird der Meßabschnitt 3 korrespondierend zur Grundwasserströmung in der Formation durch­ strömt.

Zur Durchführung der Messung wird der Meßbereich 10 nun über das lichtübertragende Element L ausgeleuchtet und somit die im Meßbereich 10 befindlichen Schwebstoffe sichtbar gemacht. Bedarfsweise können Markierungspartikel aus der Dosiervorrichtung 6 zur Markierung der Strömung in den Meßbereich ausgegeben werden. Die Schwebstoffe 11 werden korrespondierend zur Grundwasserströmung in der Formation mitgeführt. Das Bild des Meßabschnittes wird durch das Beobachtungsfenster 5a über die Sammel­ linse 5b erfaßt, über das Linsensystem 5c weitergeleitet, auf die CCD-Sensorfläche 12 projiziert und über die Kameraeinheit in Bildsignale gewandelt. Über eine erfaßte Bild­ folge kann dann die Strömung im Meßbereich in Richtung und Geschwindigkeit ermittelt werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohrbrunnen, mit

• - oberen und unteren Abschlußelementen (2a, 2b), die im Abstand voneinander angeordnet sind,
• - und zwischen denen ein Meßabschnitt (3) gebildet ist, der im wesentlichen frei durchströmt werden kann,
• - wobei die Abschlußelemente (2a, 2b) Mittel zum Abdichten des Bohrbrunnens aufweisen, so daß im Meßabschnitt (3) keine vertikalen Strömungen auftreten,
• - mit einem Bilderfassungselement (12), das das Bild eines Meßbereiches (10) in­ nerhalb des Meßabschnitts erfaßt,
• - und mit einer Lichtquelle (LQ) zum Ausleuchten des Meßbereiches (10) dadurch gekennzeichnet,
• - daß zwischen dem Bilderfassungselement (12) und dem zu beobachtenden Be­ reich mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung (5) angeordnet ist,
• - die mit ihrem freien Ende in den Meßabschnitt (3) bis unmittelbar vor den Meß­ bereich (10) hinein ragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, daß die Strömung in wesentlichen unbeeinflußt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrich­ tung mindestens ein optisches Element in Form eines schmalen Rohres (5) aufweist, in dem ein Linsensystem (5b, 5c, 5d) angeordnet ist, und das an seinem freien Ende durch ein Beobachtungsfenster (5a) abgeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (5) druckdicht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrich­ tung ein optisches Element in Form eines flexiblen Lichtleiters aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element (5) aus einem der Ab­ schlußelemente (2a) heraus in den Meßabschnitt (3) hinein ragt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßabschnitt (3) ein poröser Körper (14) angeordnet ist, der mindestens eine Aussparung zur Aufnahme der optischen Vorrichtung (5) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) eine durchströmbare Struktur aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) einen Hohlraum (15) aufweist, in dem sich der zu beobachtende Meßbereich (10) befindet.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (LQ) im Bereich eines der Abschlußelemente (2a) angeordnet ist, und mit einem Element (L) zur Lichtübertragung ausgestattet ist, dessen freies Ende in den Meßabschnitt (3) bis unmittelbar vor den Meßbereich (10) hineinragt.