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Verfahren zur Druckmessunq in der Abpreßstrecke eines Bohrlochs
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckmessung in einer Abpreß
strecke und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Baugrunduntersuchungen Bein
ist es beispielsweise erforderlich, in einer bestimmten Tiefe die DurchlEssigkeit
des Bodens gegenüber Wasser zu bestimmen.
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Zu diesem Zweck wird in den Boden ein Loch gebohrt, in das dann Wasser
gepumpt wird. Mit Hilfe eines Packers wird dafür gesorgt, daß das Wasser nur in
einer gewünschten Tiefe und entlang eines Teilstücks des Bohrloches, der sogenannten
Abpreßstrecke, in den Boden sickern kann. Die Durchlässigkeit des Bodens an dieser
Abpreßstrecke hängt dann vom Druck des Wassers an der Abpreßstrecke und der in den
Boden abfließenden Wassermenge ab.
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Die Erfassung der in den Boden abfließenden Wassermenge bereitet im
allgemeinen keine Schwierigkeiten. Dafür genügt es, die dem Bohrloch zugeführte
Wassermenge zu bestimmen. Die Bestimmung des Wasserdrucks in der Abpreßstrecke jedoch
ist bei den üblicherweise angewandten Verfahren sehr problematisch.
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Bekanntlich wird der Wasserdruck in der Abpreßstrecke dadurch ermittelt,
daß der über Tage herrschende Wasserdruck des in das Bohrloch zur Abpreßstrecke
gepumpten Wassers gemessen wird. Der wahre
Wasserdruck in der Abpreßstrecke
ist natürlich von diesem gemessenen Wert verschieden. Einmal spielen hierbei der
Höhenunterschied zwischen der Druckmeßstelle über Tage und der Abpreßstrecke unter
Tage eine Rolle, wodurch der wahre Druck an der Abpreßstrecke großer ist als der
über Tage gemessene, und zum anderen die durch die Strömung des Wassers bedingten
Reibungsverluste, die sich im entgegengesetzten Sinne auswirken. Um den Wasserdruck
an der Abpreßstrecke unter Tage zu erhalten, müssen daher bei der Auswertung des
Maß ergebnisses diese zwei Faktoren herücksichtigt werden. Da insbesondere der durch
die Reibung verursachte Druckabfall schwer zu erfassen ist, ist das mit diesem Verfahren
erzielbare Ergebnis sehr ungenau.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Uerfahren
zur Druckmessung in der Abpreßstrecke eines Bohrloch es sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens anzugeben, nach welchem sich der Druck in der Abpreßstrecke
genau bestimmen läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spielen Reibungsverluste und die
Tiefe der Abprsßstrecks keine Rolle, so daß der über Tage abgelesene Meßwert mit
dem unter Tage in der Abpreßstrecke herrschenden Druck übereinstimmt. Dadurch wird
einmal die Bestimmung des in der Abpreßstrecke herrschenden Druckes genauer, und
außerdem erspart man sich Rechentätigkeit.
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In den Ansprüchen 2 - 5 sind eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen derselben angegeben.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgamäße
Vorrichtung nicht nur für die Messung des Wasserdrucks in der Abpreßstrecke eines
Bohrloch es bei der Bestimmung der Durchlässigkeit des Bodens angewendet werden,
sondern grundsätzlich auch für alle anderen Druckmessungen unter Tage, z. B. im
Falle von Injektionen für die Messung des in der Abpreßstrecke herrschenden Zementdruckes.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen: Figur
1 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung des Wasserdruckes in der
Abpreßstrecke eines Bohrloches, und Figur 2 das Ende einer Luftleitung, wie es insbesondere
für die Messung des Abpreßdruckes im Falle von Zement geeignet ausgebildet ist.
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In Figur 1 ist ein vertikales Bohrloch 2 in einem Boden 4 gezeigt.
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In das Bohrloch 2 ist ein einfacher Packer 3 eingebracht. Der Packer
3 weist an seinem oberen, über Tage liegenden Ende einen Packerkopf 7 auf, von dem
sich ein Packerrohr 9 nach unten in das Bohrloch 2 hinein erstreckt. Am unteren
Ende des Packerrohres 9 ist zwischen der Außenwand des Packerrohres 9 und der Innenwandung
des Bohrloches 2 ein Packergummi 6 vorgesehen. Dadurch wird zwischen dem Ende des
Bohrloches 2 und dem Packergummi 6 ein Hohlraum 8 gebildet, zu dem von außen nur
durch das Packerrohr 9 Zugang besteht, da der Packergummi 6 im übrigen das Bohrloch
dicht verschließt.
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Mit Hilfe einer durch das Packerrohr 9 verlaufenden Wasserleitung
10 kann von außen, d. h über Tage, Wasser in den Hohlraum 8 geführt werden. Die
Wasserleitung 10 ist über Tage an eine nicht gezeigte Wasserpumpe angeschlossen.
Ein Ventil 24 in der Wasserleitung 10 regelt den Wasserzulauf, während ein Ventil
26 in einer vor dem Ventil 24 abzweigenden Zweigleitung den Wasserrücklauf regelt.
Ferner sind in der Wasserleitung 10 über Tage sinne Wasseruhr 14 für eine Direktablesung
der durch die Wasserleitung 10 fließenden Wassermenge vorgesehen und eine Wasseruhr
18 mit Kontaktwerk, an das über einen Impulsverstärker 20 ein Mengenschreiber 22
angeschlossen ist. Mit Hilfe des Mengenschreihers wird auf einem Papierband zu jedem
Zeitpunkt die durch die Wasserleitung 10 pro Zeiteinheit fließende Wassermenge aufgezeichnet.
SchlieBlich ist über Tage noch ein Manometer 12 an die Wasserleitung 10 angeschlossen.
An das Manometer 12 kann wiederum in besonderen Fällen ein Druckbandschreiber 16
angeschlossen sein.
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Mit der oben beschriebenen, bekannten Anordnung kann die Durchlässigkeit
des Bodens 4 im Bereich des Hohlraums 8 wie folgt ermittelt werden. Es sei vorausgesetzt,
daß der Hohlraum 8 anfangs leer ist, d. h. daß der Grundwasserspiegel unterhalb
des Hohlraums B liegt.
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Dann wird über die Wasserleitung 10 der Hohlraum 8 mit Wasser vollgepumpt.
Bei vollgepumptem Hohlraum 8 wird weiterhin Wasser über die Wasserleitung 10 zugeführt.
Das zugeführte Wasser wird dabei über den Hohlraum 8 in den Boden 4 abgepreßt. Daher
nennt man die Strecke des Bohrlochs 2, die im Hohlraum 8 liegt, auch die Abpreßstrecke.
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Sie kann bei Verwendung von Doppelpackern selbstverständlich auch
in einer geringeren Tiefe als die des Bohrlochs 2 vorgesehen werden.
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Während des Anpressens wird nun an der Wasseruhr 14 bzw. über den
Mengenschreiber 22 die pro Zeiteinheit abgepreßt Wassermenge sowie über das Manometer
12 der Wasserdruck abgelesen. Die an der Wasseruhr 14 abgelesene Wassermenge pro
Zeiteinheit entspricht der pro Zeiteinheit tatsächlich abgepresten Wassermenge.
Aus dem am Manometer 12 abgelesenen Wasserdruck kann man theoretisch auf den Wasserdruck
im Hohlraum 8 schließen, der in diesem Fall identisch mit dem Abpreßdruck ist. Aus
dem Abpreßdruck, der pro Zeiteinheit der Abpreßstrecke zugeführten Wassermenge,
dem Durchmesser des Bohrlochs und der Länge der Abpreßstrecke ergibt sich dann die
Durchlässigkeit des Bodens 4.
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Um von dem am Manometer 12 angezeigten Wasserdruck auf den in der
Abpreßstrecke, d. h., im Hohlraum 8 herrschenden Wasserdruck zu schließen, ist einmal
der Lmstand zu berücksichtigen, daß der Hohlraum 8 tiefer als das Manometer 12 liegt,
wodurch der Druck im Hohlraum 8 größer als am Manometer 12 ist. Pro 10 m Höhenunterschied
macht dies bekanntlich eine Atmosphäre aus. Andererseits fließt während des Abpreß
vorganges laufend Wasser durch die Wasserleitung 10, so daß aufgrund der Reibungsverluste
ein Druckabfall auftritt. Dieser hängt vom Rohrdurchmesser, der Länge der Wasserleitung
und von anderen schuer zu erfassenden Eigenschaften der Wasserleitung, wie Krümmung
und dergleichen, ab. Der durch die Reibung hervorgerufene Druckabfall läßt sich
gröBenordnungsmäßig zwar schätzen, aber hinreichend genau nur
durch
Versuche ermitteln. In der Praxis wird regelmäßig davon ausgegangen, daß der durch
die Reibung hervorgerufene Druckabfall der durch den Höhenunterschied zwischen dem
Manometer 12 und dem Hohlraum 8 hervorgerufenen Druckerhöhung entspricht, d. h.
daß beide sich gegeneinander aufheben. Diese Näherung ist jedoch sehr grob und kann
zu völlig falschen Ergebnissen führen.
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Um nun bei der Ermittlung des Wasserdrucks in der Abpreßstrecke nicht
auf Schätzungen angewiesen zu sein, wird nun gemäß der Erfindung der tatsächliche
im Hohlraum 8 herrschende Wasserdruck direkt gemessen.
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Dazu ist eine sich vom Hohlraum 8 durch den Packer 3 hindurch nach
außen erstreckende Luftleitung 28 vorgesehen, die über Tage mit einer nicht gezeigten
Preßluftquelle verbunden ist. Mit Hilfe einer Drossel 31 und eines Reduzierventils
33 kann der Luftdruck in der Luftleitung 28 auf einen gewünschten Wert reduziert
werden. Der reduzierte Luftdruck kann an einem Feinmeßmanometer unmittelbar abgelesen
werden. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Druckbandschreiber 34 zur Aufzeichnung
des in der Luftleitung 28 herrschenden Luftdrucks vorgesehen sein. SchlieS-lich
ist über Tage auger dem Manometer 32 erfindungsgemäß noch eine Einrichtung 30 vorgesehen,
die dazu dient festzustellen, ob in der Luftleitung 28 sich die Luft in Richtung
auf den Hohlraum 8 hin bewegt.
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Die Funktion der Einrichtung 30 kann ein PerlgefäB übernehmen, das
wie gezeigt in die Luftleitung 28 geschaltet ist. Das PerlgefäB 30 besteht aus einem
durchsichtigenlluftdicht verschlossenen Behälter, der teilweise mit Wasser gefüllt
ist. Dabei befindet sich das mit der PreBluftquelle unmittelbar in Verbindung stehende
Ende der Luftleitung unter Wasser, während das andere, unmittelbar mit dem Hohlraum
8 in Verbindung stehende Ende der Luftleitung sich im Behälter über dem Wasserspiegel
befindet. Strömt nun die Luft durch die Luftleitung 28 von der PreBluftquelle zum
Hohlraum 8 hin, so kann dies an der Perlenbildung im Wasser erkannt werden.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung arbeitet wie folgt:
Es
sei vorausgesetzt, daß der Hohlraum 8 mindestens soweit mit Wasser gefüllt ist,
daß das untere offene Ende der Luftleitung 28 in das Wasser getaucht ist. Wird das
Reduzierventil 33 voll aufgedreht, dann strömt Preßluft durch die Luftleitung 28
zum Hohlraum 8 hin.
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Aus dem in das Wasser im Hohlraum 8 getauchten Ende entweicht die
Luft, solange der Druck in der Luftleitung 28 größer als der Wasserdruck an diesem
Ende der Luftleitung ist. Ob Luft aus der Luftleitung 28 entweicht, kann man am
Perlgefäß 30 erkennen. Nun wird der Druck in der Luftleitung 28 mit Hilfe des Reduzierventils
33 solange erniedrigt, bis am Perlgefäß 30 festgestellt wird, daß keine Luft mehr
aus der Luftleitung 28 in das Wasser im Hohlraum 8 entweicht. Der Luftdruck, der
in der Luftleitung 28 beim Aufhören der Perlbilding im Perlgefäß 30 herrscht, ist
über die gesamte Länge der Luftleitung gleich und stimmt exakt mit dem Wasserdruck
im Hohlraum 8 überein. Dieser Luftdruck kann ohne weiteres am Manometer 32 über
Tage abgelesen werden.
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Wird der Luftdruck in der Luftleitung 28 weiter erniedrigt, so hat
dies ein Ansteigen des Wassers in der in den Hohlraum 8 ragenden Luftleitung 28
zur Folge. Der am Manometer 32 abgelesene Druck stimmt dann natürlich nicht mehr
mit dem an Ende der Luftleitung 28 im Hohlraum 8 herrschenden Wasserdruck überein.
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Nach dem erfindungagamäßen Meßverfahren läßt sich der Druck in der
Abpreßstrecke jederzeit einfach und genau bestimmen. Einmal spielt im Falle von
Luft der Höhenunterschied zwischen dem über Tage liegenden Manometer und dem Hohlraum
8 bzw. der Abpreßstrecke im Gegensatz zu Wasser keine Rolle, und zum anderen befindet
sich im Zeitpunkt der Druckmessung in der Abpreßstrecke die Luft in der Luftleitung
28 in Ruhe, so daß kein Druckabfall infolge von Reibung auftritt und zu berücksichtigen
wäre.
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Insbesondere läßt sich mit dem erfindungsgemaSen Verfahren sehr leicht
die sog. Nullmessung durchführen. Befindet sich der Hohlraum 8 bzw.
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die Abpreßstrecke unterhalb des Grundwasserspiegels, so ist bei der
Berechnung des Abpreßdruckes der von Haus aus im Hohlraum 8 herrschende Wasserdruck
zu berücksichtigen. Dieser hängt von der Hdhendifferenz zwischen dem Grundwasserspiegel
und dem Hohlraum 8 ab.
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Im Falle von Wasser als Medium zur Druckübertragung - wie im oben
beschriebenen, bekanntem Verfahren - kann dieser Druck offensichtlich nicht bestimmt
werden.
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Wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, läßt sich das zuvor beschriebene,
arfindungegemäße Verfahren nicht nur zur Wasserdruckmessung in der Abpreßstrecke
anwenden, sondern ebenso gut auch zur Messung des AbpreB-druckes von Zement im Falle
von Injektionen. Wie in Figur 2 gezeigt ist, bedient man sich dabei vorteilhafterweise
einer Luftleitung 28, über deren in den Zement 40 ragendes Ende ein enganliegender,
elastischer, die Luftaustrittsöffnung abdeckender Überzieher 38 gezogen ist. Außerdem
können durch Querbohrungen 36 zusätzliche Luftaustrittsöffnungen vorgesehen sein,
die ebenfalls von dem Uberzieher 38 abgedeckt werden, wie in Figur 2 gezeigt ist.
Der Überzieher8wirkt wie ein Rückschlagventil und soll ein Eindringen des Zements
in die Luftleitung 28 verhindern, während er andererseits ein Austreten der Preßluft
aus der Luftleitung 28 ermöglichen soll.