DE4413983C2

DE4413983C2 - Einbohrlochversuch zur Bestimmung von Transmissivität und Speicherkoeffizient

Info

Publication number: DE4413983C2
Application number: DE19944413983
Authority: DE
Inventors: Thomas Kopp; Arnim Dr Kaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-04-22
Also published as: DE4413983A1

Description

Einbohrlochversuche sind geohydraulische Testverfahren, mit denen insbesondere die Transmissivität und davon abgeleitet die Durchlässigkeit eines über Bohrung erschlossenen Ge birgsbereiches ermittelt werden. Sie liefern Grundlagen bei der Lösung vielfältiger Aufgaben in der Grundwasserer schließung, in der Deponiestandort- und Altlastenerkundung, im Fels-, Tunnel- und Talsperrenbau, in der Baugrundunter suchung, der Erdölexploration und der geothermischen Ener giegewinnung. Die bekannten Einbohrlochversuche sind z. B. der Kurzpumpversuch (Wiederanstiegsverfahren), der Wasser drucktest (Packertest) der Open-End-Test (Auffüllversuch), der Slug Test, der Drillstem Test, das Einschwingverfahren und der Pulse Test (Übersicht und weiterführende Literatur in Coldewey, W.G. & Krahn, L. (1991): Grundwasseruntersu chung in Festgesteinen bei Altablagerungen und Altstandor ten; S. 88-94; Ministerium für Umwelt des Landes Nord rhein-Westfalen).

Bestehende Tests mit gleichartigen Versuchsbedingungen wie bei der Erfindung sind der Auslauftest an artesischen Brun nen nach Jacob & Lohman (1952, Nonsteady flow to a well of constant drawdown in an extensive aquifer, Am. Geophys. Union Trans., v. 33., p. 559-569) und der Auslauftest in Tiefbohrungen mittels Doppelpacker (Hydraulische Tests in Tiefbohrungen der Nagra; Zeitschrift Nagra informiert, 3+4/89). Beide nutzen die bei gespanntem grundwasserleiten den Gebirge natürlich vorhandene hydrostatische Druckhöhe, indem sie vor der eigentlichen Testphase das zu untersu chende System Brunnen-Gebirge vom der Umgebung bis zum Er reichen der statischen Druckhöhe isolieren, um danach durch schlagartiges Öffnen eines Ventiles einen freien Auslauf des Grundwassers und damit Strömungsvorgänge vom Gebirge nach außen zum Ausgleich der Druckdifferenz zu bewirken.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein neues, weni ger aufwendiges Testverfahren mit den entsprechenden Ver suchsbedingungen zu schaffen, das eine Parameterbestimmung nach dem Geradlinienverfahren für instationäre Strömung nach Jacob & Lohman (1952) erlaubt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst über ein Verfah ren mit versuchstechnischer Einrichtung wie in den Patent ansprüchen 1 und 2 beschrieben.

Der wesentliche erzielte Vorteil der Erfindung liegt in der Unabhängigkeit von der bei vergleichbaren Tests notwendigen aufwendigen Absperrungsmaßnahmen und der abzuwartenden Druckaufbauphase bis zum Erreichen der hydrostatischen Druckhöhe. Bei der erfindungsgemäßen Versuchsdurchführung fallen Anregungs- und Meßphase zusammen. Dadurch läßt sich das neue Verfahren wesentlich kosteneffizienter und flexib ler einsetzen, insbesondere auch bei Flachbohrungen. Darüber hinaus eröffnet der neue Einbohrlochversuch zu sätzliche Optionen, nämlich die Möglichkeit der Umkehrung der Fließrichtung (Patentanspruch 3) und die eines Leistungsversuches (Patentanspruch 4).

Die Erfindung wie sie in Patentanspruch 1 beschrieben ist, erfüllt die Aufgabe der Parameterbestimmung von Transmissi vität und Speicherkoeffizient eines durch Bohrung aufge schlossenen flüssigkeitsgesättigten Gebirgsbereiches über die gasdruckgesteuerte Absenkung der im Bohrloch in situ vorhandenen Flüssigkeitssäule ausgehend von dem nach der statischen Druckhöhe eingestellten Ruhespiegel. Die Durch führung eines sog. "Druck-Absenkungsversuches" beginnt mit der schlagartigen Erzeugung eines Überdruckes H_O in der Flüssigkeitssäule mittels Gasdruckstoß in den Zylinder- Luftraum zwischen Flüssigkeitsspiegel und nach oben abge dichtetem Bohrloch. Durch die nachfolgende elektronisch geregelte Gasdruckerhöhung in dem sich ständig nach unten vergrößernden Zylinder-Luftraum bleibt die wirksame Druck differenz H_O während der gesamten Anregungs- und Meßphase erhalten. Dies bewirkt die kontinuierliche Abnahme der Fließrate Q vom Bohrloch in das Gebirge, d. h. eine zeitli che Abnahme der durch die Gaseinpressung verdrängten Flüs sigkeitsvolumina.

Die Verlangsamung der Absenkung des Flüssigkeitsspiegels w(t) ausgedrückt über die Geschwindigkeit v(t) = w(t)/t bildet die Basis zur Berechnung der zeitlich abnehmenden Fließraten Q(t), nach

Q(t) = v(t) _* Π _* r_Q² [m³/s] (1)

mit
r_Q - Radius des Bohrlochs im Bereich der Flüssigkeits spiegeländerung.

Zur Bestimmung der Transmissivität T und des Speicherkoef fizienten S wird das Geradlinienverfahren von Jacob & Lohman (1952) für instationäre Strömung angewendet, wonach

T = 2.303/(4 _* Π _* (Δ(H_O/Q)/Δlg(t/r_w²)) [m²/s] (2)

ist, mit
r_w - Zylinderradius im Bereich des offenen Bohrloches
und

S = 2.25 _3f T _* (t/r_w²)_O [-] (3)

mit

(t/r_w²)_O - Intersektion mit der logarithmischen Abszisse.

Eine zweckmäßige technische Apparatur zur Durchführung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 beschrieben.

Die gleichen Versuchsbedingungen gelten auch für die in Pa tentanspruch 3 beschriebene generelle Umkehrung der Fließ richtung während des gesamten Versuches.

Soll ein Leistungsversuch gefahren werden, so ist ,die unter Patentanspruch 4 beschriebene Versuchsanordnung zu wählen. Die hierfür notwendige versuchstechnische Einrichtung um faßt eine zusätzliche Einheit zum Ein- bzw. Abpumpen von Flüssigkeit in bzw. aus dem Bohrloch mit entsprechenden Verbindungen, einen Flüssigkeitsbehälter, ein zusätzliches elektronisch regelbares Ventil mit Steuerungs- und Regi striereinheit für die passierende Flüssigkeitsmenge zwi schen dem Flüssigkeitsbehälter und dem Bohrlochinnern sowie eine elektrische Verbindung zwischen dieser Steuerungs- und Registriereinheit zur Steuerungseinheit des Druckaus gleichsventils für den Gasdruck.

Im folgenden wird eine technische Lösung für die Durchfüh rung der Erfindung wie sie in Patentanspruch 1 beschrieben ist, für eine Druck-Absenkung, erläutert.

Die Beschreibung erfolgt anhand der Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt schematisch die Versuchsdurchführung mit den hierfür notwendigen technischen Vorrichtungen am Beispiel einer durch einen Brunnen erschlossenen gespannten grund wasserleitenden Schicht. Der Radius des Vollrohres ist mit r_Q bezeichnet, der des erschlossenen Gebirges mit r_w. Die ser Bereich ist mit Kies verfiltert. Die Absenkung des Was serspiegels erfolgt ausgehend von der statischen Druckhöhe.

Fig. 2 zeigt die Auswertung des Versuches mittels Geradli nienverfahren.

Der Brunnen ist so ausgebaut, daß nur im Bereich der unter en Schicht Wasser zu- oder abfließen kann (Fig. 1). Der Bohrlochkopf ist z. B. durch eine gut befestigte Aufsatz platte [5] mit entsprechenden Durchführungsmöglichkeiten für Sondenkabel und Druckschläuche abgedichtet. Im Brunnen ist eine Druckmeßsonde oberhalb [3A] und eine unterhalb [4A] des Wasserspiegels angeordnet. Die erste Sonde dient zur Registrierung des veränderlichen Gasdruckes im Raum zwischen Bohrlochverschluß und Wasserspiegel. Die zweite dient zur Registrierung des tiefenabhängigen Wasserdruckes vor und während des Versuches und damit zur Bestimmung der versuchstypischen Druckerhöhung H_O. Durch Differenzbildun gen zwischen der unten verzeichneten Wasserdruckhöhe und den oben gemessenen Gasdruckhöhen erhält man die zeitabhän gige Lageänderung des Wasserspiegels relativ zum Ausgangs ruhespiegel.

Die Versuchsanordnung umfaßt weiterhin eine Apparatur zur Gasdruckabgabe z. B. einen leistungsstarken benzinbetriebe nen Kompressor mit Druckgefäß [1], zwei parallel angeordne te Ventile ([1A] und [2A]), ein Startventil [1A] und ein Druckausgleichsventil [2A], eine batteriebetriebene elek tronische Steuerungseinheit [2] zur sukzessiven Öffnung des Druckausgleichsventils, zwei batteriebetriebene Registrier einheiten ([3] und [4]) für die Sonden [3A] und [4A], eine elektrische Verbindung [6] der Registriereinheit der Sonde [4A] mit der Steuerungseinheit [2] zur Regelung des Druck ausgleichsventils.

Bei der Versuchsdurchführung werden zunächst alle Gerät schaften inbetrieb genommen. Danach wird Ventil [1A] schlagartig kurzzeitig geöffnet. Sobald der Wasserspiegel absinkt, fällt der Druck in der Wassersäule und die elek trische Spannung am Ausgang des Druckmeßgerätes der Sonde [4A] fällt ab. Die elektronische Steuerungseinheit des Ven tiles [2A] regelt den Druck über dessen kontinuierliche Öf fnung nach, so daß ein Druckabfall in der Wassersäule bis zum Erreichen der Leistungsgrenze des Kompressors nicht stattfindet.

Die Versuchsdauer ist von der aufgegebenen Initial-Drucker höhung H_O und der angetroffenen Durchlässigkeit des Gebir ges abhängig. Im allgemeinen wird der Versuch zu beenden sein, wenn der Verlauf der inversen Fließraten im Sinne der Vorschrift des Geradlinienverfahrens eine gewisse Zeit li near verlaufen ist (Fig. 2).

Der Verlangsamung der Wasserspiegelabsenkung während des Testverlaufes entspricht eine Abnahme der Fließraten in das Gebirge. Sie wird durch die Gleichung (1) wiedergegeben. Die Momentangeschwindigkeiten der Wasserspiegelabsenkung v(t) ergeben nach Gleichung (1) die momentanen Fließraten Q(t). Deren Kehrwerte multipliziert mit der konstant gehal tenen Initial-Druckerhöhung H_O in der Wassersäule werden gegen die Zeit, dividiert durch den quadratischen Radius des aufgeschlossenen Gebirgsquerschnittes r_w der Bohrung, einfach logarithmisch aufgetragen (Fig. 2). Die Steigung dieser Geraden innerhalb einer Dekade ergibt hier:

Δ(H_O/Q)/Δlg(t/r_w²) = 3811 m²/s

und damit nach Glg. (2) eine Transmissivität von

T = 2.303/(4 _* Π _* 3811) = 4.8E-5 m²/s.

Der Schnittpunkt der Geraden mit der Abszisse hat den Wert

(t/r_w²)_O = 60.0 s/m².

Damit ergibt sich für den Speicherkoeffizienten nach Glg. (3)

S = 2.25 _* 4.8E-5 m²/s _* 60.0 s/m² = 6.5E-3.

Claims

1. Einbohrlochversuch zur Bestimmung von Transmissivität und Speicherkoeffizient eines durch Bohrung erschlosse nen flüssigkeitsgesättigten Gebirges, insbesondere einer grundwasserleitenden Schicht, bei dem die im Bohrloch in situ vorhandene im hydrostatischen Druckgleichgewicht befindliche Flüssigkeitssäule gleichzeitig zur Anregung und Meßwertaufnahme genutzt wird und eine schlagartig geschaffene und konstant gehaltene Druckerhöhung in der Flüssigkeitssäule bei zeitlich abnehmenden Fließraten als Versuchsbedingungen vorherrschen, so daß die Trans missivität und der Speicherkoeffizient nach dem Geradli nienverfahren für instationäre Strömung abgeleitet wer den kann,
gekennzeichnet durch

- eine erstmalige Anregung des zu untersuchenden Gebir ges über die Bohrloch-Flüssigkeitssäule mittels einer schlagartig eingesetzten Initial-Druckerhöhung auf den hydrostatischen Ruhespiegel durch einen Gasdruckstoß in den Zylinderraum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel in der Bohrung und dem nach oben abgedichteten Bohrloch;
- die Erhaltung dieser Anregung durch zusätzliche, per manent gesteuerte Gasdruckerhöhung in den Zylinderraum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem nach oben abge dichteten Bohrloch derart, daß eine kontinuierliche Zu nahme des Gasüberdruckes erfolgt, die die gemessene wirksame Druckerhöhung in der Flüssigkeitssäule während der gesamten Anregungs- und Meßphase konstant hält;
- die zeitabhängige Aufnahme und Registrierung der Ab senkung und Absenkungsgeschwindigkeit des Flüssigkeits spiegels im Vollrohr oder im Bereich dichter Bohrloch wandung während der gesamten Anregungs- und Meßphase;
- die zeitabhängige Ableitung der kontinuierlich abneh menden Fließraten vom Bohrloch in das Gebirge über die im Bereich des Testabschnittes offene Bohrlochwandung aufgrund der kontinuierlich abnehmenden Absenkung und Absenkungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsspiegels.

2. Versuchstechnische Einrichtung zur Durchführung des Ein bohrlochversuches wie in Patentanspruch 1 beschrieben,
gekennzeichnet durch

- eine oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angebrachte Ab dichtungsvorrichtung [5] mit Durchführungen von Druck schläuchen und Sondenkabeln, die den Luftraum in der Bohrung nach oben hin abschließt;
- eine Einheit zur Gasüberdruckabgabe [1] mit einer Ver bindung zum Bohrlochluftraum über ein zwischengeschal tetes Startventil [1A] und ein parallel angeordnetes elektronisch regelbares Druckausgleichsventil [2A];
- eine Druckmeßsonde [3A] im Luftraum der Bohrung mit Registriereinheit [3] zur Aufnahme der zeitabhängigen Gasdruckhöhen während des Testverlaufes;
- eine Druckmeßsonde [4A] unterhalb des Flüssigkeits spiegels mit Registriereinheit [4] zur Aufnahme der Flüssigkeitsdruckhöhe vor und während des Versuches;
- eine Steuerungseinheit [2] mit elektrischer Verbindung [6] zur Registriereinheit [4] zur Regelung des Druckaus gleichsventils [2A] derart, daß über die sukzessive Öff nung des Druckausgleichsventils zunehmend Gas eingepreßt wird und die Initial-Druckerhöhung in der Flüssigkeits säule während der gesamten Testphase erhalten bleibt.

3. Einbohrlochversuch zur Bestimmung von Transmissivität und Speicherkoeffizient wie in Patentanspruch 1 be schrieben, jedoch unter Umkehrung der Fließrichtung,
gekennzeichnet durch

- eine erstmalige Anregung des zu untersuchenden Gebir ges über die Bohrloch-Flüssigkeitssäule mittels einer schlagartig eingesetzten initial-Druckerniedrigung über dem hydrostatischen Ruhespiegel durch einen Gasunter druck-Stoß aus dem Zylinderraum zwischen dem Flüssig keitsspiegel in der Bohrung und dem nach oben abgedich teten Bohrloch;
- die Erhaltung dieser Anregung durch zusätzliche, per manent gesteuerte Gasdruckerniedrigung in dem Zylinder raum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem nach oben abgedichteten Bohrloch derart, daß eine kontinuierliche Steigerung des Gasunterdruckes erfolgt, die die gemes sene wirksame Druckerniedrigung in der Flüssigkeitssäule während der gesamten Anregungs- und Meßphase konstant hält;
- die zeitabhängige Aufnahme und Registrierung der An hebung und Anhebungsgeschwindigkeit des Flüssigkeits spiegels im Vollrohr oder im Bereich dichter Bohrloch wandung während der gesamten Anregungs- und Meßphase;
- die zeitabhängige Ableitung der kontinuierlich abneh menden Fließraten vom Gebirge in das Bohrloch über die im Bereich des Testabschnittes offene Bohrlochwandung aufgrund der kontinuierlich abnehmenden Anhebung und An hebungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsspiegels.

4. Einbohrlochversuch zur Bestimmung von Transmissivität und Speicherkoeffizient wie in Patentanspruch 1 be schrieben, jedoch ergänzt durch eine versuchstechnische Einrichtung zum Einfüllung bzw. Abpumpen von Flüssig keit,
gekennzeichnet durch

- eine erstmalige Anregung des zu untersuchenden Gebir ges wie in Patentanspruch 1 beschrieben;
- die Erhaltung dieser Anregung wie in Patentanspruch 1 beschrieben, jedoch zusätzlich durch Einfüllen oder Ab pumpen von Wasser;
- die zeitabhängige Aufnahme und Registrierung der Ab senkung und Absenkungsgeschwindigkeit bzw. der Anhebung und Anhebungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsspiegels im Vollrohr oder im Bereich dichter Bohrlochwandung während der gesamten Anregungs- und Meßphase;
- die zeitabhängige Ableitung der kontinuierlich abneh menden Fließraten vom Bohrloch in das Gebirge bzw. vom Gebirge in das Bohrloch über die im Bereich des Testab schnittes offene Bohrlochwandung aufgrund der abnehmen den Absenkung und Absenkungsgeschwindigkeit bzw. Anhe bung und Anhebungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsspie gels und der Zunahme der eingefüllten bzw. abgepumpten Flüssigkeitsmengen.