DE4413179C1 - Verfahren und Prüfeinrichtung zur Bestimmung der minimalen Gebirgsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Prüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 gemäß Anspruch 2.

Die genaue Kenntnis über die minimale Gebirgsspan­ nungskomponente untertägiger geologischer Formatio­ nen, beispielsweise die des Salzgesteins, ist für die Errichtung von Kavernen zur Speicherung von gasförmi­ gen und flüssigen Medien und/oder für die Endlagerung von Abprodukten von außerordentlicher Bedeutung. In Kombination mit weiteren theoretischen und experimen­ teilen Untersuchungen bildet die minimale Gebirgsspan­ nungskomponente eine definitive Grundlage für die Bemessung und den späteren Betrieb der Kavernenan­ lage, wie für die Pfeilergrößen zu benachbarten, berg­ männischen Hohlräumen, zur Speicherkapazität, zur Qua­ litätssicherung etc.

Aus der DD 1 45 186 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die erfolgreich zum Nachweis der minimalen Gebirgsspannungskomponente eingesetzt wurden und mit deren Hilfe Spannungswerte mit hoher Repräsen­ tanz gewonnen werden konnten. Gemäß dem vorgeschlage­ nen Verfahren wird der zu untersuchende Gebirgsab­ schnitt einer Tiefbohrung mittels Packer hermeti­ siert, anschließend die im Prüfintervall anstehende Spülung durch Druckluftbeaufschlagung in ein Spülungs­ aufnahmerohr verdrängt und die Druckgasbeaufschlagung im Prüfintervall weiter erhöht, bis es zu einer Rißbildung (Frac) im Gestein kommt. Unmittelbar nach dem Aufreißen wird das bis übertage anstehende Prüf­ gasvolumen über eine Schließvorrichtung vom expandie­ renden Hohlraumvolumen im Ringraum des Prüfintervalls abgetrennt und der Druckabfall bis zum Stillstand des Fracs registriert. Der so meßbare Ruhedruckwert reprä­ sentiert den Gleichgewichtzustand zwischen dem Druck im Rißsystem und der minimalen Gebirgsspannung und bildet die Grundlage für die weitere geomechanische Bearbeitung.

Zur Durchführung des Verfahrens schlägt die DD 1 45 187 eine Prüfgarnitur vor, die an einem Schwerstangen­ strang und einem Bohrgestänge schwimmend in die unverrohrte oder bereits teilweise verrohrte Bohrung eingebaut und mittels Ankerschuh auf der Sohle der Tiefbohrung abgesetzt wird. Die Prüfgarnitur besitzt zwei in Straddle-Anordnung angebrachte Packer zur Begrenzung und Hermetisierung des Prüfintervalls, unterhalb der Packer in Manometerschutzrohren angeord­ nete Tiefenmanometer, mit deren Hilfe die Druckverläu­ fe innerhalb und außerhalb des Prüfintervalls festge­ halten werden, und ein Spülungsaufnahmerohr, in das die im Prüfintervall anstehende Spülung verdrängt wird. Hierzu ist zwischen den Packern ein Druckaus­ gleichstück vorgesehen, über das die im Prüfintervall befindliche Spülung durch die Erhöhung des Prüfgas­ druckes in das Soleaufnahmerohr verdrängt wird, während über den Packern eine Steigrohrschließvorrich­ tung vorgesehen ist, die bei Eintritt der Rißbildung das bis nach übertage anstehende Prüfgas vom expandie­ renden Druckluftvolumen im Prüfintervall abtrennt. Hervorzuheben ist die hohe Genauigkeit der erzielba­ ren Meßwerte. Nachteilig sind der hohe Aufwand, die Nichtverwendbarkeit moderner, elektronischer Onli­ ne-Meßinstrumente und die Notwendigkeit aufwendige Bohranlagenkapazität über eine Testdauer von mehreren Tagen vorzuhalten. Ein weiterer Nachteil besteht in der hohen Gewichtsbelastung, indem die Packer über einen axialen Lasteintrag den notwendigen Bohrloch­ wandandruck erhalten, wobei das Gesamtgewicht an Ge­ stänge und Schwerstangen die Prüfvorrichtung gegen axiale Aufwärtsbewegung sichern muß. Diese Umstände verursachen hohe Kosten für die Durchführung von Un­ tersuchungen zur Bestimmung der minimale Gebirgsspan­ nungskomponente.

In "Berichte des Institutes für Geophysik der Ruhr-Universität Bochum" Reihe A Nr. 21 von 4/87 wird die Anwendung eines Hydraulik-Frac-Verfahrens be­ schrieben. Die Nachteile dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung bestehen darin, daß die Verwendung von flüssigem Prüfmedium technische Undichtkeiten an der Testgarnitur schwer erkennen läßt und das flüssige Prüfmedium negative Einflüsse auf das Testergebnis durch sein Fließverhalten und durch seine Fließeigen­ schaften nicht ausschließen kann. Überdies können Feststoffteile mit dem Prüfmedium unerwünscht in die beim Test gebildeten Risse im Gebirge eingetragen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Prüfeinrichtung für die in-situ-Bestimmung der minimale Gebirgsspannungs­ komponente unter Beibehaltung gasförmiger Prüfmedien zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Einrichtung durch eine Prüfeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 9.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der erfindungs­ gemäßen Prüfeinrichtung wird unter Beibehaltung von Prüfgas als Arbeitsmedium der Aufwand mit Bezug auf die Lösung nach DD 1 45 186 entscheidend reduziert und der notwendige Zeitaufwand für die Durchführung der Untersuchungen wesentlich verkürzt, wobei durch den Einsatz von Online-Tiefenmanometern, die direkt mit einer obertägigen PC-Station verbunden sind, der Spannungszustand der geologischen Formation im Prüfin­ tervall in-situ sicher und auf direktem Wege festge­ stellt und bewertet werden kann.

Zur Durchführung der Untersuchungen ist neben der er­ findungsgemäßen Prüfeinrichtung an Übertage-Ausrü­ stung lediglich ein Hochdruck-Kleinverdichter für das Prüfgas und zum Aufpumpen der Packer, ein Wire-li­ ne-Truck und die bereits genannte PC-Technik zur Fest­ stellung und Bewertung der Meßergebnisse erforder­ lich.

Mit Hilfe der aufpumpbaren Packer in Straddle-Anord­ nung und durch Fortfall eines Druckausgleichstückes zwischen den Packern können mehrere Prüfintervalle getestet werden, wobei das Spülungsaufnahmerohr, das vor Einbau mit einem vorgespannten Prüfgas gefüllt worden ist, über Längenvarianten den aufzunehmenden Spülungsvolumina auf einfache Weise anpaßbar ist. Damit ist bereits mit dem Einbau der Prüfeinrichtung ein ausreichend großes Prüfgasvolumen vorhanden, um nach dem Packersetzen die Spülung des Prüfinter­ valls gegen das Prüfgas auszutauschen. Diese Maßnahme ermöglicht außerdem eine Minimierung der Druckleitun­ gen für das von übertage zuzuführende Prüfgas, was zu einer Reduzierung der Prüfzeitdauer und zum Fortfall einer Verschließeinrichtung führt.

Durch die innerhalb der Prüfeinrichtung geführte und im oberen und unteren Übergangsstück ausmündende Ausgleichsleitung ist ein Druckausgleich zwischen den Bohrlochvolumina unter und über den Packern gewährlei­ stet. Damit ist ohne Gestänge- und Schwerstangenlast die Prüfeinrichtung gegen axiale Bewegungen oder Auswurf gesichert.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbe­ ispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der Prüfeinrichtung, eingefahren in eine schematisch dargestellte, unverrohrte Tiefbohrung;

Fig. 2: eine schematische Darstellung des Ventil­ stückes;

Fig. 3: ein Ventilstück für die Durchführung mehrerer Spannungstests bei einem Einbau der Prüfein­ richtung.

Die Prüfeinrichtung gemäß Fig. 1 wird übertage zusam­ mengestellt und besteht vom Fuß zum Kopfende aus der Blindkappe 11 mit den Blindstopfen 12, die das Spü­ lungsaufnahmerohr 13 verschließen, in dem ein Tiefen­ manometer 14 angeordnet sein kann. Das Spülungsaufnah­ merohr 13 wird durch ein Ventilstück 30 verschlossen, das mit einer seitlichen Gaseintrittsöffnung 9 und einem Rückschlagventil 10 mit Verschlußschraube versehen ist.

Auf die konstruktive Ausbildung des Ventilstückes 30 wird im Nachfolgenden anhand von Fig. 2 näher einge­ gangen.

Mit Hilfe eines Übergangsstückes 15 ist das Ventil­ stück 30 mit dem angeschlossenen Spülungsaufnahmerohr 13 fußseitig an das Packerinnenrohr 27 angeschlossen. Auf dem Packerinnenrohr 27 befinden sich in Stradd­ le-Anordnung zwei aufpumpbare Packer 17; 23, die durch eine Überströmleitung 19 miteinander verbunden sind und mit deren Hilfe das zu untersuchende Prüfinter­ vall selektiert wird. Zwischen den beiden Packern 17; 23 sind im Packerinnenrohr 27 Überströmbohrungen 18 vorgesehen, die das zu untersuchende Prüfintervall über das Ventilstück 30 nach dessen Öffnen mit dem Spülungsaufnahmerohr verbinden. Kopfseitig ist am Packerinnenrohr 27 ein Übergang 21 mit dem Blindüber­ gang 24, das als Packerkopfstück dient, und ein Kabel­ kopfstück 28 angeschlossen. An dem am Kabelkopfstück 28 befestigten Meßkabel 29, das mit einem elektroni­ schen Online-Tiefenmanometer 20 verbunden ist, sind die nach übertage führende Druckleitung 25 zum Aufpum­ pen der Packer 17; 23 und die Druckleitung 26 zur Zu­ führung von Prüfgas in das Prüfintervall angeschellt. Zusammen mit einer Ausgleichsleitung 16, die den Raum unterhalb des Packers 17 mit dem Tiefbohrungsinter­ vall über dem Packer 23 verbindet, ist am Übergang 21 der Druckleitungsanschluß 22 für die Druckleitung 26 angeordnet.

Das Ventilstück 30, das in Fig. 2 näher dargestellt ist, besteht aus einem Gehäuse 1 mit einem oberen und einem unteren Gewindering 2; 3, einem Zylinder 4 mit Überströmkanälen 5 und einem axial beweglichen Ventil­ kolben 6. Der Ventilkolben 6 befindet sich beim Zusammenbau der Prüfeinrichtung übertage in seiner Schließstellung und wird durch Scherschrauben 7 in dieser Stellung fixiert. Die Abdichtung des Ventilkol­ bens 6 gegenüber dem Zylinder 4 und die Abdichtung des Zylinders 4 gegenüber dem Gehäuse 1 erfolgt jeweils durch O-Ringe 8.

Bevor die Prüfeinrichtung nach ihrer Zusammenstellung in die Tiefbohrung eingefahren wird, wird über die seitliche Gaszuführungsbohrung 9 das Spülungsaufnahme­ rohr 13 in Abhängigkeit von dem etwa zu erwartenden Testdruck, in jedem Fall aber mit einem Druck, der höher als der hydrostatische Spülungsdruck auf Test­ teufe ist, mit Prüfgas befüllt und das Gas vorge­ spannt.

Die so vorbereitete Prüfeinrichtung entsprechend Fig. 1 wird nun vorzugsweise an einem Kabel, im vorliegen­ den Beispiel am Meßkabel 29 mit der angeschellten Aufpumpleitung 25 und der Druckleitung 26 in das zu untersuchende Prüfintervall der Tiefbohrung eingefah­ ren.

Wahlweise mit Flüssigkeit oder Gas werden anschlie­ ßend über die Leitung 25 beide Packer 17 und 23 so aufgepumpt, daß sie das Prüfintervall sicher absper­ ren. Darauffolgend wird über die Druckleitung 26 und den Anschluß 22 von zutage Prüfgas über die Überström­ bohrung 18 in das Prüfintervall eingeleitet.

In Abhängigkeit vom vorgespannten Prüfgas im Spülungs­ aufnahmerohr 13 und von den Scherschrauben 7 öffnet der Ventilkolben 6 die Überströmkanäle 5. Das vorge­ spannte Prüfgas gelangt im Austausch gegen die im Prüfintervall anstehende Spülung aus dem Spülungsauf­ nahmerohr 13 über die Überströmkanäle 5 und die Überströmbohrung 18 in das Prüfintervall.

Über die Druckleitung 26 und den Druckleitungsan­ schluß 22 wird weiteres Prüfgas in das Prüfintervall bis zum Erkennen einer Rißbildung aus geändertem Druckaufbauverhalten, das mit Hilfe der elektroni­ schen Online-Tiefenmanometer 20 erfaßt wird, eingelei­ tet. Zu diesem Zeitpunkt wird das weitere Einbringen von Prüfgas in das Prüfintervall eingestellt. Mit Hilfe des elektronischen Online-Tiefenmanometers 20 wird der weitere Druckverlauf bis zum sich konstant einstellenden Druckniveau, d. h. bis zur Ausbildung eines Ruhedruckes registriert. Nach Erreichen des Ru­ hedruckes werden mittels Prüfgasentnahme über die Druckleitung 26 das Prüfintervall und über die Auf­ pumpleitung 25 die beiden Packer 17 und 23 entlastet. Damit strömt gleichzeitig Bohrspülung in das Prüfin­ tervall. Die Prüfeinrichtung gemäß Fig. 1 wird am Meß­ kabel 29 ausgefahren und durch Abschrauben des Blind­ stopfens 12 das Spülungsaufnahmerohr 13 entleert.

Eine vorteilhafte Ausführung des Ventilstückes 30 ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses Ventilstück 30 ermöglicht die Durchführung mehrerer Untersuchungen bei einem Einbau der Prüfeinrichtung, wobei die Prüfeinrichtung in ihrem grundlegenden Aufbau nicht verändert wird.

In dieser Ausführungsvariante wird der Ventilkolben 6 des Ventilstückes 30 durch eine Druckfeder 32 in seiner Schließstellung fixiert.

Nach Einfahren der Prüfeinrichtung in die Tiefbohrung und nach dem Setzen der Packer 17; 23 in dem zu unter­ suchenden Prüfintervall, wird das durch die Packer 17; 23 selektierte Prüfintervall wiederum mit Prüfgas aus dem Spülungsaufnahmerohr 13 und von übertage beaufschlagt.

In Abhängigkeit vom vorgespannten Prüfgas im Spülungs­ aufnahmerohr 13 und der Federkraft der Druckfeder 32 öffnet der Ventilkolben 6 die Überströmkanäle 5 und das vorgespannte Prüfgas gelangt im Austausch gegen die im Prüfintervall befindliche Spülung aus dem Spülungsaufnahmerohr 13 über die Überströmkanäle 5 und die Überströmbohrung 18 in das Prüfintervall. Die Spülung aus dem Prüfintervall der Tiefbohrung wird dabei vollständig verdrängt und fließt dem Prüfgas entgegen in das Spülungsaufnahmerohr 13.

Mit Eintritt eines Druckabfalls, beispielsweise durch die Ausbildung eines Frac oder durch die Einstellung der Prüfgasaufgabe von übertage, bringt die Druckfe­ der 32 den Ventilkolben 6 in seine Schließstellung zurück.

Nach Erreichen des Ruhedruckes und der Druckentla­ stung des Prüfintervalls und der Packer 17; 23 wird die Prüfeinrichtung am Meßkabel 29 in ein tiefer liegendes, zu untersuchendes Prüfintervall gefahren und die Untersuchungsarbeiten werden in der beschriebenen Art und Weise wiederholt. Maßgeblich für die Zahl der Wiederholungen ohne zwischenzeitlichen Ausbau der Prüfeinrichtung ist die Aufnahmefähigkeit des Spü­ lungsaufnahmerohres 13, das in seiner Länge variabel veränderbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Gewindering
3 Gewindering
4 Zylinder
5 Überströmkanal
6 Ventilkolben
7 Scherschrauben
8 O-Ring
9 Gaseintritt
10 Rückschlagventil
11 Blindkappe
12 Blindstopfen
13 Spülungsaufnahmerohr
14 Memory-Tiefenmanometer
15 Übergangsstück
16 Ausgleichsleitung
17 unterer Packer
18 Überströmbohrung
19 Überströmleitung
20 One-line-Tiefenmanometer
21 Übergang
22 Testleitungsanschluß
23 oberer Packer
24 Blindübergang
25 Druckleitung
26 Druckleitung
27 Packerinnenrohr
28 Kabelkopfstück
29 Meßkabel
30 Ventilstück
31 -
32 Feder

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der minimalen Gebirgs­ spannungskomponente untertägiger geologischer Formationen in einer Tiefbohrung durch Druckbe­ aufschlagung eines zu untersuchenden und mit Hilfe von Packern selektierten Gebirgsabschnit­ tes mit einem Prüfgas bis zur Rißbildung, wobei die Spülung im Prüfintervall in ein Spülungsauf­ nahmerohr geleitet wird und die Druckverläufe innerhalb des Prüfintervalls mittels Tiefenmano­ meter registriert werden, dadurch gekennzeich­ net,
daß ein wesentlicher Teil des Prüfgas­ volumens in einer Prüfeinrichtung vorgespannt bis zum Untersuchungsintervall eingefahren und dort bis zur Rißbildung verdichtet wird und ein Druckausgleich zwischen Fuß und Kopf der Prüfeinrichtung in der Weise vorgenommen wird,
daß eine axiale Verankerung der Prüfeinrichtung im Bohrloch nicht erforderlich ist.

2. Prüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung der minimalen Gebirgsspannungskomponente untertätiger geologi­ scher Formationen in einer Tiefbohrung unter Verwendung von Tiefenmanometer und von Packern zur Selektierung des zu untersuchenden Prüfin­ tervalles der Tiefbohrung und einem unterhalb der Packer angeordneten Spülungsaufnahmerohr, in das die im Prüfintervall anstehende Spülung verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Packerinnenrohr (27) kopfseitig ein mit einem Blindübergang (24) und einem Kabelkopfstück (28) versehenes Übergangsstück (21), in das eine Ausgleichsleitung (16) und eine Druckleitung (22) eingeführt sind, und fußseitig über ein unteres Übergangsstück (15), ein Ventilstück (30) und das Spülungsaufnahmerohr (13) an­ geschlossen sind, wobei das Spülungsaufnahme­ rohr (13) mit einem vorgespannten Prüfgas gefüllt und über das Ventilstück (30) und Aus­ strömbohrungen (18) mit Prüfintervall verbunden ist und die Ausgleichsleitung (16) unterhalb der Packer (23; 17) in das Bohrlochvolumen der Tiefbohrung ausmündet.

3. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilstück (30) eine durch ein Rückschlagventil (10) verschlossene Gasein­ trittsöffnung (9) aufweist und aus einem Gehäu­ se (1) mit einem oberen und unteren Gewindering (2; 3) besteht, in dem der Überströmkanäle (5) aufweisende Zylinder (4) mit einem Kolben (6), der durch Scherschrauben (7) in seiner Schließ­ stellung fixiert ist, druckdicht eingesetzt und mittels Gewindering (2) mit dem Gehäuse (1) verspannt ist.

4. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (6) durch eine Feder (32) in seine Schließstellung fi­ xiert und die Feder (32) so bemessen ist, daß sie spätestens mit Verringerung des aufgebrach­ ten Prüfdruckes das Ventilstück (30) sicher schließt.

5. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülungsauf­ nahmerohr (13) mit einem Prüfgasdruck vor­ gespannt ist, der höher als der hydrostatische Druck der Spülungssäule in Testteufe ist.

6. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Blindübergang (21) ein Online-Tiefenmanometer (20) angeordnet und im Packerinnenrohr (27) bis in den Bereich zwischen den beiden Packern (17; 23) geführt ist.

7. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Online-Tie­ fenmanometer (20) mit einer übertage befindli­ chen PC-Station verbunden ist.

8. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochvolu­ mina der Tiefbohrung kopf- und fußseitig der Prüfeinrichtung durch eine Ausgleichsleitung (16) miteinander verbunden sind.

9. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Spülungsaufnahmerohres (13) variierbar ist.