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VERWAHREN ZUM BESTIMMEN DES RAUMINHALTES
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VON RAEUMEN. HAUPTSAECHLICH VON UNTERIR-DISCHEN RAEUMENs Z.B. VON
HOHRAEUMEN, KAVERNEN, HCHI2N, GAENGEN UND AEHNLICHEN GEBILDEN Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen des Rauminhaltes von Räumen, hauptsächlich von unterirdischen
Räumen, wie beispielsweise von Hohlräumen, Kavernen, Höhlen, Gängen u. dgl. Die
Erfindung kann vorzugsweise im Erdöl- und Erdgasbergbau zum Einsatz kommen0 Unter
der Erdoberfläche sind im Laufe der Erdgeschichte auf natürliche Weise verschiedene
Hohlräume, wie Aushöhlungen, Kavernen, Gesteinshöhlen zustande gekommen. Einen Teil
dieser Räume kann man mit den Methoden der Hohlenforschung kennen lernen. Auf die
von nasser oder Kohlenwasserstoffen angefüllten, meist in grösseren Tiefen gelegenen
Hohlräume macht das bei der Tiefbohrerkundung erfolgende, bzu, beobachtete freie
Fallen des Bohrmeissels aufmerksam. Im Bergbau auf feste mineralische Nutzrohstoffe
zeigen im allgemeinen auch Nassereinbrüche das Anfahren oder Anschlagen von Kavernen,
bzw. untertägigen Hohlräumen an.
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Auch das Schaffen der Menschen hat vielerorts unterirdische Hohlräume
zustande gebracht, z.B. als Keller, Strecken oder Gänge, Aussparungen, Leitungen
u. dgl., die dann später ohne Versatz aufgelassen worden sind, sodass ihre Beseitigung
bzw. Liquidierung erst in unseren Tagen notwendig wird.
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Die natürlich oder technisch entstandenen oder hergestellten unterdrddscE.en
Hohlräume stehen in überwiegen der Mehrzahl der Fälle mit durchlässigen - permeablen
-Gesteinen in Verbindung.
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Die Kenntnis des Rauminhaltes der unterirdischen Hohlräume ist beispielsweise
geologisch, ferner im Kohlenwasserstoff- und Feststoffbergbau hinsichtlich der fördertechnischen
oder bautechnischen Belange von Wichtigkeit, deswegen waren die betreffenden Fachleute
auch bisher bemüht,die Abmessungen, bzw. den Rauminhalt solcher Hohlräume zu ermitteln,
In der ungarischen Zeitschrift "Karst und Höhlen" (Karszt es barlang"), Jg. 1980,
Heft 2 (5. 99 - 102) wird z,B.
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das Kartieren von Höhlen und die Bestimmung des Höhlenrauminhaltes
aus den aufgenommenen Daten und Karten vorgeführt, Bei einer Methode, die in der
ungarischen Zeitschrift "Erdöl und Erdgas" ("KOolaj es földgáz"), Jg. 1972, Heft
5, S. 132 - 136 beschrieben ist, wird aus den bei der Erschliessung des Erdölfeldes
Nagylengyel (Ungarn) erfolgten und festgestellten Meisselfreifall-Fällen und Spülungsverlusten
auf das Vorhandensein von Kavernen gefolgert, doch dem Formular nach erfolgt die
Bestimmung ihrer Abmessungen nur durch Abechätzung in Schätzwerten.
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In Nr. 9 (5. 48 - 51) der sowjetischen Zeitschrift "Gazovaja PromUslennoszt"
wird die Bestimmung von unterirdischen Hohlräumen bzw. Kavernen mit geophysika-
lischen
Methoden erörtert.
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Mit den oben beschriebenen bekannten Verfahren aber können die Abmessungen
unterirdischer Hohlräume nur mit grosser Ungenauigkeit ermittelt werden, was Jedoch
den neuzeitlichen Anforderungen nicht geneigt, denn: - Bei der Höhlenerforschung
und Kartierung müssen die Abmessungen der Höhle für Menschen zugänglich sein, da
ja die untersuchte Höhle noch mit weiteren - verborgenen - Höhlen verbunden sein
kann; - Aus dem Freifall des Bohrmeissels kann in nur einem Punkt, und in nur einer
Dimension das Mass der Kaverne bestimmt werden, aus dem jedoch - zufolge der allgemein
sehr komplizierten Morphologie der Kavernen - praktisch auf ihren wirklichen Rauminhalt
nicht geschlossen werden kann; - Bei den geophysikalischen Methoden beeinträchtigen
die mehrfachen Reflexionen sehr die Güte der Messung.
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Das Einstellen der Amplitude des Sendesignals kann nur bei Hohlräumen
von relativ regelmässigen Konturen zu einem Ergebnis führen, Ziel dieser Erfindung
ist die Beseitigung der oben angeführten Mängel, d.h, das Schaffen einer solchen
genaueren Mesamethode, die zum Messen des Rauminhaltes von unterirdischen Hohlräumen
allgemein angewendet werden kann.
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Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist demnach, für das Messen
des Rauminhaltes von unterirdischen Hohlräumen ein solches Messverfahren auszugestalten,
mittels welchem der Rauminhalt eines unterirdischen Hohlraumes - unabhängig von
seiner Form, Gestalt und seiner Oberflächenkontur
- wesentlich
genauer bestimmt werden kann, als mit Anwendung der bekannten Methoden.
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Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe durch ein solches Verfahren
gelöst, bei welchem das Volumen des die unterirdischen Hohlräume, z.B. Aushöhlungen,
Kavernen, Gänge u. dgl. ausfüllenden Fluidums plötzlich und nur kurzzeitig erhöht
oder vermindert wird, währenddessen die Druckänderungen gemessen und gegebenenfalls
registriert werden, die zufolge der Volumzunahme bz.
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Volumabnahme jeweils erfolgen, Aus den auf diese Weise bestimmten
Meßwerten kann dann durch Berechnung der Rauminhalt des untersuchten Hohlraumes
bestimmt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Anwendungsart des Verfahrens gemäss
der Erfindung wird die Volumzunahme des unter Druck stehenden Hohlraumes z.B, in
Hohlräumen, Eavernen, Höhlen u. dgl. durch Detonation, beispielsweise durch das
Entleeren einer Stickstoffflasche in den Hohlraum, oder durch eine Sprengung zustande
gebracht.
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Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung verursacht die in dem untersuchten
Raum bewirkte Volumänderung in dem den Raum ausfüllenden Medium eine Druckwelle,
die sich mit Schallwellengeschwindigkeit fortpflanzt. Aus dem gemessenen Werten
der Druckänderung kann dann der Rauminhalt des betreffenden Raumes durch den Fachmann
in Kenntnis der Erfindung mit Hilfe der bekannten Materialbilanz--Beziehungen berechnet
werden.
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Die Volumänderung vollzieht sich im allgemeinen durch Filtration,
d.h. durch Zusitzen von Nasser, bzw, durch ein Entweichen von gasartigen Medien
in die Aussenatmosphäre, was im Trend der Druckänderung deutlich trennbar in Erscheinung
tritt, Die Erfindung soll nun anhand der folgenden Beispiele
eingehender
erläutert werden. Wir betonen jedoch, dass sich unser Schutzbegehren nicht nur allein
auf die als mögliche Anwendungsbeispiele demonstrierten Löeungsarten beschränkt.
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BEISPIEL 1 In einem Erdölfeld wurde eine Sonde bis zur Tiefe von
208 m mit einem Putterrohretrang von 0,115 mm Innendurchmesser verrohrt, danach
aber die Sonde weiter vertieft. Bei dem Weiterbohren erreichte der Bohrmeissel in
2187 m Bohrlochtiefe verkarsteten Kalkstein, wonach Spülungsverlust auftrat, Diese
Sonde konnte nicht nach der heutigen Stufe technischer Entwicklung vollendet und
ausgebaut werden und wurde deshalb aufgelassen, Später aber erforderte der Abbau
des Erdölfeldes wieder die Ausbesserung und Inbetriebeetzang der Sonde. Doch trotz
den zwecks Sondenreparatur injektierten 231 m3 Zement, Gel und sonstigem Versatzmaterial
gelang es doch nicht, die Sondenkomplettierung durchzufuhren und den Sondenbau zu
beenden, Deshalb wurde die Ermittlung des Rauminhaltes des mit der Sonde in Verbindung
stehenden Kavernen- und Hohlraumsystem3 aktuell, die nun mit dem Verfahren gemäss
der Erfindung wie folgt durchgeführt wurde: An dem Sondenkopf wurde ein Druckmesakopf
von grosser Anzeigegenauigkeit angebracht, der schon Druckänderungen von 1 Pascal
Gröase anzuzeigen vermag. Ein Druckauswertungsgerät von solch feiner Skalenteilung
ist beispielsweise aus der ungarischen Patentschrift Nr. 173,501 bekannt, doch kann
zu diesem Zweck z,B.
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auch das im Handelsverkehr erhältliche, unter dem Namen HEWLETT-PACKARD
2811 A" bekannte USA Druckfühlergerät gut gebraucht werden.
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Ferner wurde an dem Sondenkopf die in der Praxis mit der Bezeichnung
Halbdrehungshahn bekannte Vorrichtung vorgesehen, dessen Eigenart darin besteht,
dass bei einem Verdrehen des Öffnungsmechanismus, der Hahn nur auf sehr kurze Zeit,
auf einem Augenblick, oder nur auf einige Augenblicke öffnet und gleich danach wieder
schliesst.
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Gleichzeitig wurde in der Sonde der jeweilige Flüssigkeitsstand gemessen,
der sich bei 132 m Tiefe des Bohrlochs ergab.
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Hiernach wurde - als Schritt der Vorbereitungsoperationen - mit einem
Luftkompressor ein Sondenkopfdruck von 0,536 MPa (Mega-Pascal) zustande gebracht.
Die am Messkopf angezeigten Druckwerte wurden registriert, In dem durch den Sondenkopfdruck
bestimmten Ausmass sank der Wasserstand in der Sonde. (Dieses Sinken des Wasserspiegels
betrug angenähert 50 m,) Die Volumbestimmung des betreffenden Hohlraumes wurde erfindungagemäss
im vorliegenden Fall so durchgeführt, dass durch Öffnen des Halbdrehungshahnes plötzlich
und nur auf kurzer Zeit ein Luftablassen, d.h. ein Luftabbelassen verrichtet wurde.
Zufolge des Luftablassens sank der Sondenkopfdruck um 927 Pa (Pascal), und dieser
ert wurde vom Druckmesskopf registriert. Ein Teil des abgelassenen Luftvolumens
wurde von dem durch Infiltration in die Sonde gelangten Wasserersatz okkupiert,
während sich der Sondenkopfdruck im Vergleich zum Ausgangsdruck auf einem um 541
Pa niedrigeren Wert stabilisierte, Nach dem Verrichten dieser Operationen bzw. Messungen
wurden zur Berechnung der Kavernenmasse von uns folgende Punkte in Betracht gezogen:
- Die Auswirkungen von adiabatiechen T0mperaturänderun gen im System (unter "System"
ist: Messgerät und
Sonde zusammen zu verstehen), da man wegen der
Schnelle der Druckänderung, den Prozess unbedingt als "adiabatiach" annehmen kann;
- In der Sonde ändern sich die hydrostatischen VerhCltnisse in keiner Weise, da
nämlich ein Teil der abgelassenen Luft in der Sonde von dem aus der Schicht einströmenden
Wasser eingenommen wird; Die bestimmten Druckänderungen wurden im vorliegenden Fall
fortlaufend registriert, Auf Grund von obigem betrug die durch Berechnung ermittelte
Kavernengrösse 2600 m3.
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BEISPIEL 2 Zwischen einer im Erdölfeld vorgesehenen Tankstation und
der Hauptsammelstelle erfolgte der Erdöltransport über eine Stahlrohrleitung von
6868,25 m Länge, 95,4 mm Innendurchmesser und 6,3 mm Wandstärke, Hier wutden entlang
der Leitung die in Beispiel 1 beschriebenen hochpräzisen Druckmessköpfe mit Feinteilung
der Skala angeordnet und zwar vom Einspeisepunkt (bei der Tankstelle) aus gerechnet
in 1680 m, 3670 m und 6860 m Entfernung. Die Volummessung gemäss der Erfindung war
hier dadurch nötig geworden, dass der zum Reinigen der Rohrleitung benützte "Rohrwolf"
im Rohrleitungsabschnitt zwischen den Messstellen bei 3670 m und 6860 m häufig stecken
blieb, Um den genauen Ort dieses Rohrwolf-Hindernisses" zu ermitteln, wurde somit
die Volumsbestimmung erforderlich, Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
wurde am Einspeisungspunkt der Rohrleitung an der Tankstation mit Zwischeneinbau
eines im Beispiel 1 erwähnten Halbdrehungshahnes ein Auffanggefäss von bekanntem,
288 cm3 grossem Fassungsvermrigen eingebaut.
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Im Ausgangszustand wurde zunächst der in der Rohrleitung vorherrschende
Druck gemessen. Danach wurde durch ein Öffnen des Halbdrehungshahnes plötzlich Öl
aus der Leitung in das Auffanggefäss (bis zu seiner völligen Anfüllung) abgelassen,
Zufolge des plötzlichen Ablassens sank der Druck des Öls in der Rohrleitung um 13,963
KPa.
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Als Effekt der Druckverminderung konnte die Kontraktion der Rohrleitung
in Form von elastischer Formänderung bzw. das Mass der Schrumpfung mit 47,5 cm3
ermittelt werden.
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Die Druckänderung wurde auch nach dem ablassen registriert, Rechnend
mit einem bekannten ZusammendrückbarkeitsSaktor für Öl von 4,7 x 10 -4 Mpa 1 stellten
wir fest, dass vom Gesamtvolumen des Rohres, d.h. von 49,1 m3 Gesamtrauminhalt,
auf die Strecke zwischen dem Stopppunkt des "Rohrwolfes" und dem Einspeisepunkt
38,5 m Rohrvolumen entfielen. Hieraus konnte der zustand des Achr.olf-Hindernisses
von der Einspeisestelle berechnet erden, der sich mit 5380 m ergab.
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BEISPIEL 3 Von einem mit der Tagesoberfläche nur beschränkt (z.B.
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über eine verschlossene TUr) in Verbindung stehenden Keller unbekannten
Volumens sollte zwecks Versatz des Kellers dessen Peuninhalt ermittelt werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung wurde in dem
Kellerraum zunächst auch der bei Beispiel 1 erwähnte hochempfindliche Druckmesskopf
angeordnet. Die Volumszunahme der im Kellerraum befindlichen Luft wurde durch das
plötzliche explosionsartige öffnen (mittels Retätigung des oben erwähnten Halbdrehungshahnes)
einer Gasflasche bewirkt, die 0,078 m3 Stickstoffgas von 0,65 MPa Druck enthielt.
Zufolge der Detonation stieg
im untersuchten Kellerraum der Druck
um 530 Pa, der sich dann zum Aussenluftraum hin eliminierte.
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Im Sinne des Verfahrens gemäss der Erfindung wurde der im Keller herrschende
Druck der Luft vor der Detonation, danach auch fortlaufend nach der Detonation als
Druckänderung gemessen und registriert. Aus diesen Daten berechneten wir den Kellerrauminhalt
mit 950 m3.
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Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens besteht
darin, dass durch seine Anwendung der Rauminhalt von Räumen beliebigen Volumens
und verschiedenster Morphologie, beispielsweise von unterirdischen Hok.lräumen wesentlich
genauer bestimmt werden kann, als mit den bisher bekannten Methoden. Die zur Durchführung
des Verfahrens benotigten Druckmesskpfe verursachen nur einen verhältnismässig geringen
Kostenaufwand. Der in den beispielen erwähnte "Halbdrehungshahn" kann gegebenenfalls
durch jedes beliebige bekannte, und für den vorliegenden Fall geeignete Ventil ersetzt
werden, Die erfindungsgetnässe Volunänderung aber kann - wie es auch aus den Beispielen
hervorgeht - gleichfalls einfach und mit kleines Aufwand getätigt werden.