DE3908930C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von flüssigen Proben aus Bohrlöchern und zur Messung ihrer charak­ teristischen Parameter.

Die Frage nach der Entstehung und Herkunft von Lösungen in Steinsalz- und Kaliberwerken stellt sich jedesmal aufs neue, wenn Lösungszutritte infolge bergmännischer Arbeiten untertage angetroffen werden. Von der richtigen Beantwortung dieser Frage hängt die Sicherheit der Bergwerke und, in besonderem Maße, die der Endlagerbergwerke in Salzformationen ab. Detail­ lierte Kenntnisse über die geologische Situation, die minera­ logische Zusammensetzung des Wirtsgesteins der Lösungen und die chemische Zusammensetzung der Lösungen selbst sind Vorassetzungen für die richtige Beurteilung des Gefahrenpoten­ tials von Lösungen im Salzbergbau.

A. G. Herrmann beschreibt in Kali und Steinsalz 1982, Bd. 8, Seiten 240 bis 241 ein Verfahren zur Probennahme von Salzlö­ sungen in Kali- und Steinsalzbergwerken. Der Autor beschreibt detailliert die negativen Einflüße einer falschen Probennahme und empfiehlt folgendes Vorgehen zu einer verbesserten Proben­ nahme.

Zum Auffangen wird eine enghalsige Plastikflasche benutzt und die Probe möglichst nahe an der Austrittsstelle aufgefangen. Die Dauer der Probennahme (und damit der Luftkontakte) wird auf drei Tage beschränkt um die negativen Einflüsse einzugren­ zen. Folgende physikalische Meßwerte am Ort der Probennahme werden empfohlen: Temperatur der Lauge, Gebirgstemperatur, Temperatur am Laugenaustritt, Wettertemperatur, Wetterstrom, s,':3'relative Luftfeuchte und Luftdruck.

W. Sauder und J. Gies führen in einem Artikel in der Zeit­ schrift Gewässerschutz, Wasser, Abwasser 105, 1988, Seiten 247 bis 249, zusätzlich die Dichtemessung am Ort der Probennahme mit einem Dichteschwinger ein.

Bei beiden Verfahren wird ein Luftkontakt und die damit ver­ bundene Veränderungen der Probe in Kauf genommen. Quantitative Analysen sowie Isotopenbestimmungen sind daher mit nicht abschätzbaren Fehlern behaftet. Rückschlüsse auf die Herkunft der Proben sind erschwert, wenn nicht unmöglich. Fehlinterpre­ tationen sind nicht auszuschließen. Eine Gasprobenahme ist in keinem dieser Fälle möglich.

Aus der DE 36 37 952 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Bodenluftproben bekannt, bei der die Probe gegenüber der Umge­ bungsluft abgeschlossen ist.

Aus der DE 36 11 662A ist weiterhin eine Anordnung für Gasauf­ bereitungsstrecken bekannt, welche temperierbar ist. Außerdem ist aus der DE 36 13 275 A1 eine Meßapparatur zur Bestimmung von in Grund- und Oberflächenwässern gelösten Gasen beschrie­ ben, bei welcher eine temperierbare Meßzelle blasenfrei füll­ bar ist. Diese Zelle ist für leichten Überdruck ausgelegt. Für höhere Drücke, wie sie unter Tage auftreten, ist diese Appara­ tur jedoch nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung an­ zugeben, mit der flüssige Proben unter Luftabschluß beim Ge­ birgsdruck und bei der herrschenden Gebirgstemperatur entnom­ men werden können und bei der alle relevanten physikalischen Parameter vor Ort gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die weiteren Ansprüche 2 und 3 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch den Originalzustand der Probe eine exak­ te Deutung der Lösungszutritte hinsichtlich ihrer Genese, Herkunft und Entwicklung ermöglicht wird. Da eine Kontamina­ tion durch die Grubenwetter verhindert wird, z. B. durch CO, CO₂ und H₂O kann mit Hilfe der Analyse von stabilen und radio­ aktiven Isotopen eine genauere Charakterisierung in Hinblick auf die Endstehung der Lösung erfolgen. Die Isotope dafür sind z. B. T, D, ¹⁴C, ¹⁸O.

Die Apparatur kann auch für die Probennahme und vor Ort-Ana­ lyse von Gasproben eingesetzt werden.

Das hier beschriebene System ermöglicht erstmals eine verfäl­ schungssichere Messung und Probennahme von Salzlösungen unter in-situ-Bedingungen bei Gebirgstemperaturen und -drücken bis zu 200 bar. Die Apparatur ist für die Belange des Salzbergbaus entwickelt worden, ist jedoch ohne Änderung zur Überwachung und Probennahme in allen Untertagebetrieben einsetzbar. Über geeignete Armaturenteile kann die Meßapparatur auch direkt auf den Preventer von Erkundungsbohrungen, die Lösungen unter Druck angetroffen haben, aufgesetzt werden. Die Entscheidung über geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwendung kann somit auf­ grund von kontinuierlich gewonnenen Meßdaten unter in-situ-Be­ dingungen erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Die Meß- und Probennahmeapparatur wurde für die Messung von Gebirgslösungen unter den in situ herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen konzipiert. Ein Bohrloch ins Gebirge 1, in dem Lösung angetroffen wurde, wird mit einem Bohrlochverschluß 2 druckdicht abgeschlossen. Dahinter sammelt sich die Lösung unter Beibehaltung der originalen Druck- und Temperaturwerte. Der Bohrlochverschluß kann entweder ein Preventer sein, der beim Bohren des Erkundungsbohrloches eingesetzt wurde, ober ein nachträglich ins Bohrloch montierter Packer.

Der Bohrlochverschluß wird über einen Absperrhahn 3 auf einer druckdichten Leitung 4, durch einen Schieber (Preventer) ver­ schlossen. Eine druckdichte Leitung 4, die aus dem Bohrloch­ verschluß hinausführt und durch einen weiteren Absperrhahn 5 verschlossen wird, dient dazu, das Bohrloch bei Bedarf mit ei­ nem Inertgas zu spülen, um eine Kontamination der Lösung mit der Grubenluft zu verhindern. Das Spülen mit Inertgas kann über die Meßapparatur direkt oder auch getrennt erfolgen. Im Bohrlochverschluß ist ein Temperaturfühler 6 für die Messung der Gebirgstemperatur vorgesehen. Der Meßwert wird über die Meßleitung 7 zur Sondenelektronik 22 weitergeleitet. Die unter 2 bis 7 beschriebenen Einzelteile gehören zu Teil A des Meßsy­ stems. Die eigentliche Meß- und Probennahmeapparatur ist Teil B. Sie wird mit einem Schraubverschluß an Teil A an­ geschlossen. Dieser Schraubverschluß ist die Schnittstelle zwischen Teil A und Teil B. Sie liegt kurz vor dem Stoß in der Strecke unter Tage, von wo aus die Bohrung gestoßen wurde.

Die Meß- und Probennahmeapparatur wird vor der Flutung mit Lö­ sung entweder mit Inertgas gespült oder evakuiert. Aus dem Bohrlochverschluß 2 wird die Lösung durch Öffnen des Ab­ sperrhahnes 3 über eine druckfeste Leitung 8 durch ein Über­ druckventil 9 und einen Dreiwegehahn 10 in die Meßapparatur eingeleitet. Die Komponenten der Apparatur sind in einem wär­ meisolierten Gehäuse 11 untergebracht. Das Überdruckventil 9 soll sicherstellen, daß die Apparatur keinem Maximaldruck über 200 bar ausgesetzt wird.

Das gesamte Gehäuse der Apparatur wird auf Gebirgstemperatur temperiert. Dazu dienen die Temperiereinrichtungen 12, der Um­ luftventilator 13, der Temperaturregler 14 und die Leitung für die Temperaturregelung 15. Temperiert wird auf den Wert, der vom Temperaturfühler 6 aus dem Bohrloch geliefert wird. Ist im Bohrlochverschluß 2 kein Temperaturfühler vorhanden, kann die Gebirgstemperatur auch unabhängig ermittelt werden und dieser Wert über den Sollwertgeber 16 eingegeben werden. Die Tempe­ rierung erfolgt dann auf diesen Temperatursollwert. Die gemes­ sene Gebirgstemperatur oder der Temperatursollwert werden über eine maximal 500 m lange Meßwertübertragungsleitung 17 ins Da­ tenverarbeitungsgerät 18 geleitet und dort zur Anzeige ge­ bracht und gespeichert.

In die auf Gebirgstemperatur gebrachte Meßapparatur wird die Lösung durch das Nadelventil 19 in die Druckmeßzelle 20 gelei­ tet, wo bei geschlossener Apparatur der im Bohrloch herr­ schende Druck gemessen wird. Der Meßwert gelangt über eine Meßleitung 21 zur Sondenelektronik 22, in der die Meßwertwand­ lung erfolgt. Ebenso wie der Temperaturmeßwert wird der Druck 20 und alle anderen Meßwerte wie Leitfähigkeit 28, Dichte 29 und pH-Wert 33 über Meßleitungen 21 in die Sondenelektronik 22 und über die Meßwertübertragung im Datenverarbeitungsgerät 18 geleitet. Dort können die Meßwerte nicht nur angezeigt und ge­ speichert werden, sondern auch als Zeitreihen dargestellt und über einen Drucker ausgedruckt werden. Alle Meßzellen befinden sich in bis zu 200 bar druckfesten Gehäusen 23.

Über einen Filter 24 kann die Lösung durch den Dreiwegehahn 25 und das Nadelventil 26 aus der Apparatur hinaus in ein Proben­ nahmegefäß am Anschluß 27 geleitet werden. Probennahmegefäße können auch an den Anschlüssen 32 und 35 an der Meßapparatur luftdicht befestigt werden. Wenn nur sehr wenig Lösung im Bohrloch vorhanden ist, kann es sein, daß das Volumen nicht ausreicht, um die Meßfühler 28, 29, 33 vollständig zu fluten, was zu fehlerhaften Messungen führen kann. Darum wurde eine Möglichkeit vorgesehen, die Lösung direkt nach dem Filtrieren zu beproben.

Ist genügend Lösung vorhanden (mehr als 60 ml) wird die Lösung erst über die weiteren Meßfühler 28, 29, 33 geleitet und da­ nach beprobt. Nachdem sie den Filter 24 verläßt, wird sie über den Dreiwegehahn 25 in die Temperatur- und Leitfähigkeitsmeß­ zelle 28 und weiter in den Dichteschwinger 29 geführt. Danach kann sie wieder über den Dreiwegehahn 30, das Nadelventil 31 und einen Probennahmeanschluß 32 in ein Probennahmegefäß ge­ leitet werden.

Ist genügend Lösung unter ausreichendem Druck vorhanden, kann die Probe über den Dreiwegehahn 30 auch weiter in die Meßzelle mit der pH-Elektrode 33 geleitet werden. Diese Meßzelle 33 erfordert das größte Lösungsvolumen. Danach gelangt die Lösung durch das Nadelventil 34 und den Probennahmeanschluß 35 in ein Probennahmegefäß.

Für die Untersuchung der Lösungen im Labor sollten möglichst vier 100-ml-Meßkolben abgefüllt werden. Einer wird für die chemische Analyse von Haupt- und Spurenelementen mit der ICP benötigt. Ein zweiter wird für die titrimetrische Br-Bestim­ mung und ein dritter für die Isotopenbestimmung gebraucht. Ein vierter Kolben kann als Rückstellprobe genommen werden. Soll die Probe unter Originaldruck genommen werden, können an die Probennahmeanschlüsse 27, 32 und 35 auch druckfeste, volumenkalibrierte Probennahmegefäße angebracht werden, die durch zwei Ventile verschlossen werden können. Die Meß- und Probennahmeapparatur ermöglicht weiterhin die Durchführung von Druckaufbauversuchen bei gleichzeitiger Messung aller relevan­ ter physikalischer Parameter der Lösungen. Die Entscheidung über geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwendung kann somit auf­ grund von kontinuierlich gewonnenen Meßdaten unter In-situ- Bedingungen erfolgen.

Nach Beendigung der Messung kann die ganze Apparatur mit einer Reinigungslösung (im Normalfall reicht destilliertes Wasser oder verd. HCl) über den Probennahmeanschluß 35 durchgespült werden. Die Reinigungslösung durchläuft alle Leitungen und Meßzellen und kann über den Dreiwegehahn 10 und/oder die Probennahmeanschlußstellen 32 und 27 abgelassen werden.

Wie eingangs gezeigt, wird die Meßapparatur vor der Flutung mit Lösung mit Inertgas gespült oder evakuiert. Das Spülen mit Inergas (N₂, Ar oder He) erfolgt über den Gasflaschenanschluß 36. Durch richtige Betätigung der Dreiwegehähne, Nadelventile und Absperrhähne kann die gesamte Meßapparatur und das Bohr­ loch gespült werden. Nach Durchlaufen der Meßapparatur und des Bohrlochs kann das Inertgas am Absperrhahn 5 wieder abgelassen werden.

Zum Zweck der Qualitätssicherung ist die Meßapparatur noch mit Meßfühlern zur Erfassung des Luftdrucks in der Grube 40, der Luftfeuchte 41 und der Lufttemperatur 42 ausgestattet.

Die Apparatur wird aus Materialien gebaut, die keine störenden Reaktionen mit der Lösung eingehen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Entnahme von flüssigen Proben aus Bohrlö­ chern und zur Messung ihrer charakteristischen Parameter mit

• - einem Bohrlochverschluß (2), einer druckdichten Leitung (4) mit einem Absperrhahn (3),
• - einem wärmeisolierten Gehäuse (11) mit Temperiereinrich­ tungen (12, 13) mit druckfesten Leitungen (8) zwischen dem Absperrhahn (3), einer Druckmeßzelle (20), sowie mehreren Meßzellen (28, 29, 33), wobei den Meßzellen (28, 29, 33) ein Filter (24) vorgeschaltet ist und sich die Meßzellen (28, 29, 33), der Filter (24), sowie die Druckmeßzelle (20) in bis zu 200 bar druckfesten Gehäu­ sen (23) befinden, mit Meßleitungen (21) zur Datenüber­ tragung von den Meßzellen (28, 29, 33) und von der Druckmeßzelle (20) und mit Anschlüssen (27, 32, 35) zur Probenentnahme und
• - einem Datenverarbeitungsgerät (18) sowie einem Tempera­ turregler (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrlochverschluß (2) ein Temperaturfühler (6) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen (5) und (36) zum Spülen mit Inertgas vor­ gesehen sind.