DE2803694C3

DE2803694C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Transmissivität einer flüssigkeitsführenden Schicht, insbesondere eines Grundwasserleiters

Info

Publication number: DE2803694C3
Application number: DE19782803694
Authority: DE
Inventors: Geb. Seidenbach Irene Dipl.Geophys. Dr. 6200 Wiesbaden Krauss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-28
Filing date: 1978-01-28
Publication date: 1981-04-23
Also published as: DE2803694B2; DE2803694A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Transmissivität einer flüssigkeitsführenden, durch ein Bohrloch erschlossenen Schicht, insbesondere eines Grundwasserleiters, bei dem von der Transmissivität der zu untersuchenden Schicht abgeleitete Meßwerte unter Einbeziehung einer im Bohrloch befindlichen Flüssigkeitssäule aufgenommen, registriert und ausgewertet werden.

Bei der Nutzung, Gewinnung, Speicherung und Bewirtschaftung von Flüssigkeiten wie Wasser und Erdöl, ist die Kenntnis der den Mengenumsatz bestimmenden Parameter wichtig. Das gleiche gilt bei der Grundwasserabsenkung zu Entwässerungszwecken, bei der Gewinnung geothermischer Wärme mittels Wasser und bei verwandten Aufgabenstellungen.

Der Mengenumsatz ist der Transmissivität der flüssigkeitsführenden Bodenschicht proportional. Die Transmissivität 7"(m²/s) ist definiert durch

T= k- d

Hierin bedeuten k (m/s) den Durchlässigkeitsbeiwert (Permeabilität) und d(m) die Schichthöhe.

Üblicherweise basieren die Methoden zur Bestimmung der Transmissivität auf der Auswertung von Pumpversuchen. Hierzu werden gewöhnlich ein Pumpbrunnen und einige Beobachtungsbrunnen in die flüssigkeitsführende Schicht gebohrt. Die Flüssigkeit wird nunmehr längere Zeit mit konstanter Rate entnommen. Hierdurch senkt sich der Flüssigkeitsspiegel im Pumpbrunnen und in den Beobachtungsbrunnen ab. Aus der Absenkung und/oder dem Wiederanstieg in Abhängigkeit von der Entfernung, der Zeit und der Fördermenge werden die Transmissivität und der Durchlässigkeitsbeiwert berechnet

Andere Möglichkeiten zur Bestimmung der Transmissivität bestehen darin, daß Flüssigkeit in die zu untersuchende Formation eingebracht wird. Dieses kann mit konstanter Rate, sprunghaften Änderungen oder periodisch (US-PS 35 59 476) erfolgen.

Gemessen wird der Fluß oder die Druckänderung in der Flüssigkeitssäule im Brunnen selbst oder in benachbarten Bohrlöchern (DE-AS 12 89 803).

Pumpversuche sind teuer und zeitaufwendig. Sie sind technisch oft schwierig durchzuführen, z. B. bei der Ableitung des herausgepumpten Wassers. Ähnliches gilt für die »Injekticns«versuche. Hier ist die technische Durchführung einschließlich der Heranbringung der Flüssigkeit, der Vorbereitung der Brunnen und der Messungen selbst ebenfalls aufwendig und zeitraubend.

Die Erfindung hat das Ziel, die hohen Kosten und

technischen Schwierigkeiten der Pump- und Injektionsversuche zu vermeiden und die Transmissivität schnell und mit niedrigen Kosten in einem kleindimensionalen Bohrloch unmittelbar zu messen.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß die Flüssigkeitssäule des Bohrloches zu einer periodischen oder einer aperiodischen, gedämpften Schwingung angeregt und deren Schwingungsverlauf als von der Transmissivität der zu untersuchenden Schicht abgeleiteter Meßwert aufgenommen, registriert und ausgewertet wird.

Eine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Durchführung des Verfahrens ergibt sich durch Vornahme mehrerer Messungen und Mittelung der Ergebnisse.

In durchführungstechnischer Hinsicht empfiehlt sich zur Anregung der Schwingung die Anwendung von Druckluft in einem Brunnenrohr mit einem luftdicht abgeschlossenen Bohrlochkopf, der über ein Schnellschlußventil schlagartig zur Außenluft hin geöffnet werden kann.

Die dem Verfahren dienende Vorrichtung umfaßt eine in die Flüssigkeitssäule des Bohrloches eingehängte Druckmeßsonde, die zum Messen von Druckunterschieden einen Federbalg aufweist, dessen Verformungen über einen Stift in elektrische Signale umwandelbar sind, welche einer Registriervorrichtung zugeführt werden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßsonde mit einer Druckausgleichsvorrichtung versehen ist und als Wandler einen Differentialtransformator aufweist, dessen Induktivität mittels des Stiftes veränderbar ist.

Unterschiede gegenüber der Druckmeßsonde nach DE-AS 1108154 bestehen neben dem unterschiedlichen Meßprinzip hauptsächlich darin, daß die Druckmeßsonde mit einem außerhalb der Flüssigkeit im luftgefüllten Teil des Brunnens befindlichen Druckausgleichsgefäß ausgestattet ist. Dieses bewirkt eine Kompensation des Atmosphärendruckes bzw. der aufgebrachten Druckluft, so daß nun die Bewegung des Wasserspiegels gemessen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Transmissivität einer flüssigkeitsführenden Schicht, insbesondere eines Grundwasserleiters, basiert auf der Anregung, Messung und Auswertung einer periodischen oder aperiodischen, gedämpften Schwingung einer

Flüssigkeitssäule in einem Bohrloch, das eine flüssigkeitsführende Schicht durchdringt Wegen der Erzeugung einer Schwingung kann das Verfahren »Einschwingverfahren« genannt werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten ftir die Anregung, Messung und Aufzeichnung der Schwingung. Im folgenden wird eine technische Lösung für die Durchführung des Verfahrens gegeben. Diese bezieht sich auf Grundwasserleiter. Sie ist jedoch auch auf andere flüssigkeitsführende Schichten, z. B. ölführende Schichten, anzuwenden.

Die Beschreibung erfolgt anhand der F i g. 1 und 2. Es zeigt

F i g. 1 die Meßeinrichtung in ihrer gesamten Anordnung,

Fig. 2 die Druckmeßsonde zur Messung von Wasserspiegeländerungen.

F i g. 1 zeigt die Meßeinrichtung für die Durchführung des Verfahrens in einem Grundwasserleiter 10. Das Beispiel zeigt einen Brunnen bzw. Bohrung 11 in einem gespannten Grundwasserleiter, d. h. das Wasser sieht unter Druck und steigt im Brunnen über die Oberkante des Grundwasserleiters an. Bei einem ungespannten Grundwasserleiter ist die Meßeinrichtung die gleiche.

Das Brunnenrohr ist oben durch einen dafür konstruierten Brunnenkopf 12 druckdicht abgeschlossen. Der Brunnenkopf enthält Durchgänge 13 für eine Druckluftleitung 14 und das Stromkabel 15 der Meßsonde 16. Ferner ist an ihm ein Schnellschlußventil 18 angebracht, mit dem der Bohrlochkopf gegen die Außenluft plötzlich geöffnet werden kann. Unterhalb des Wasserspiegels hängt die Druckmeßsonde 16 zur Messung der Wasserspiegelbewegung. Einzelheiten der Druckmeßsonde werden unter Verwendung von F i g. 2 erklärt. Die Wassserbewegung wird durch die Sonde 16 in ein elektrisches Signal umgewandelt und mittels eines Kompensationsschreibers 40 registriert. Der Kompensationsschreiber wird mit Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle 41 versorgt, die z. B. an eine Batterie (nicht dargestellt) angeschlossen sein kann. Die Druckmeßsonde wird mit Gleichstrom aus einer Batterie 42 versorgt.

Die Wasserstandsmeßsonde (F i g. 2) mißt zeitgerecht die Druckschwankung im Wasser unterhalb des Wasserspiegels. An dem Gehäuse 20 ist unten zur Beschwerung ein Gewicht 21 befestigt. Die Sonde kann an einer Kette, die am Haken 22 angebracht wird, ins Wasser abgelassen werden. Innerhalb des Gehäuses ist ein Federbalg 24 angeordnet, der durch die öffnungen 26 und den Durchgang 25 mit dem umgebenden Wasser in Verbindung steht. Ein Rahmen 27 hält einen Differential-Transformator 28 in relativer Stellung zum Gehäuse 20. Im Transformator befindet sich ein magnetisierbarer Kern 30, der mit einem Stift 31 verbunden ist. Der Stift ist auf der beweglichen Oberfläche des Balges 24a gelagert und wird oben durch eine Feder 29 abgestützt. Bei Druckänderungen bewegt sich der Kern innerhalb des Transformators. Damit werden die elektrischen Ausgangssignale des Differentialtransformators geändert. Sie werden über die Leitungen 33 nach außen geführt Das zweite Leitungspaar dient der Stromverscgim? der Sonde.

Die Lage der beweglichen Oberfläche 24a des Balges relativ zum Gehäuse 20 hängt vom Druckunterschied zwischen dem umgebenden Wasser und dem Gehäuse ab. Der Druck im umgebenden Wasser wird jedoch nicht nur von der Tiefe unter der Oberfläche, sondern auch vom Luftdruck verursacht Für diesen ist eine Kompensation erforderlich. Sie wird durch ein Druckausgleichsgefäß 36 (Fig. 1) erreicht, das mit einem Schlauch 34 durch die öffnung 35 mit der Wasserstandsmeßsonde verbunden ist und einen Balg enthält Dieser Balg ist über dem Wasserspiegel angeordnet Daher entspricht der Luftdruck im eingetauchten Gehäuse 20 ungefähr demjenigen an der Stelle des Balges. Änderungen des Luftdruckes werden daher innen wie auch außen an den Federbaig 24 weitergegeben und damit kompensiert, so daß nur die Druckänderung durch das Wasser gemessen wird.

Zur Durchführung der vorgeschlagenen Methode wird zunächst ein Bohrloch in den Grundwasserleiter, der untersucht werden soll, niedergebracht Oberhalb des Grundwasserleiters wird das Bohrloch verrohrt, im Bereich des Grundwasserleiters verfiltert Im Falle des ungespannten Grundwasserleiters sollte die Verrohrung in einen Teil des Grundwasserleiters hineinreichen. Die Druckmeßsonde wird unterhalb der Wasseroberfläehe, das Druckausgleichsgefäß oberhalb der Wasseroberfläche plaziert und der druckdichte Brunnenkopf angebracht. Bei geschlossenem Ventil wird der Wasserspiegel im Brunnen einige Dezimeter unterhalb seines Ausgangsniveaus durch Einbringen von Preßluft (0,1 bis 1 bar) in den Brunnen abgesenkt und dieser Zustand 0,5 bis 1 Minute aufrechterhalten. Darauf wird das Schnellschlußventil plötzlich geöffnet Das Brunnen-Grundwasserleitersystem erfährt dadurch einen Druckstoß, der das System zu seiner »Eigenschwingung« anregt. Der Wasserspiegel kehrt in einem oszillierenden oder exponentiell gedämpften »Einschwingvorgang« in sein Ausgangsniveau zurück. Die Dauer des Einschwingvorganges liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden bis Minuten.

Dieser in der oben beschriebenen Weise angeregte Einschwingvorgang wird zur Bestimmung der Transmissivität benutzt.

Der Dämpfungskoeffizient β der Schwingung ist der Transmissivität Γ umgekehrt proportional. Die Periode r der Schwingung und damit die Eigenfrequenz ω«, werden aus dem gemessenen Einschwingvorgang bestimmt. Hierzu ist es zweckmäßig, die Einschwingvorgänge mit allen beim Brunnen-Grundwasserleitersystem vorkommenden Kombinationen von β und ω» auf der Basis der Schwingungsgleichungen des gedämpften harmonischen Oszillators vorab zu berechnen und in geeigneter Form grafisch darzustellen. Der Vergleich des gemessenen Einschwingvorganges mit diesen »Standardkurven«, deren Steigung E nun durch β und (Uu bestimmt wird, ermöglicht die schnelle Ermittlung dieser Parameter bei dem gemessenen Einschwingvorgang.

Mit bekanntem Brunnenradius r_w ergibt sich die Transmissivität Tzu

T = 1,3 χ /v² · wjß ■ (m²/s)

Für das oben beschriebene Einschwingverfahren wird kein Entnahmebrunnen mit großem Durchmesser und mit aufwendigem Filter benötigt. Vielmehr braucht nur eine Bohrung von 2 bis 4 Zoll Durchmesser in die flüssigkeitsführende Schicht niedergebracht zu werden, die mit einem billigen Filter- und Aufsatzrohr auszubauen ist.

Das Setzen von besonderen Beobachtungsrohren ist beim Einschwingverfahren nicht erforderlich. Für das Einschwingverfahren wird keine Pumpanlage mit großem Energiebedarf und mit kostspieliger Ableitung des geförderten Wassers benötigt. Es werden keine

aufwendigen Meßeinrichtungen für die Erfassung der Fördermengen und der Spiegelverläufe an mehreren Beobachtungsrohren gebraucht. Das Einschwingverfahren ist ohne Wegebauarbeiten in jedem Gelände und bei jedem Wetter ausführbar, was für den Pumpversuch nicht zutrifft. Das Einschwingverfahren ist auf etwa 1 m² Fläche durchzufahren. Es eignet sich daher zum Einsatz auf schmalen öffentlichen Wegparzellen, unter Überbauten und in Gebäuden, wo Pumpversuche kaum möglich sind.

Der erforderliche Personaleinsatz ist gering. Die Gesamtmeßzeit für das Einschwingverfahren beträgt rund 1 Stunde, während der Pumpversuch Tage bis viele Wochen dauert. Aus dieser Tatsache ergeben sich weitere Vorteile gegenüber dem Pumpversuch. Wegen der Schnelligkeit der Durchführung sind beim Einschwingverfahren keine Verfälschungen der Meßergebnisse durch meteorologische, hydrologische und anthropogene Einflüsse zu fürchten. Die Einsatzzeit des Personals bei der Durchführung des Einschwingverfahrens ist wesentlich kürzer als beim Pumpversuch. Hierdurch wird es wirtschaftlich möglich, besonders hochqualifiziertes Personal einzusetzen und entsprechend genaue Ergebnisse zu erzielen. Das Einschwingverfahren kann vom Auftraggeber wegen der kurzen Ausführungszeit und der Konzentrierung der Meßeinrichtung auf einen Punkt leichter überwacht werden als der Pumpversuch.

In rechtlicher Hinsicht ergeben sich gegenüber dem Pumpversuch ebenfalls Vorteile durch das Einschwingverfahren. Es bringt kein Zutagefördern von Grundwasser mit sich. Daher entfällt ein vorheriges wasserrechtliches Verfahren. Beim Einschwingverfahren werden keine fremden Wasserrechte berührt.

Wegen seines geringen Aufwandes ist das Einschwingverfahren besonders geeignet zur großflächigen und nach Stockwerken unterschiedenen Ermittlungen der Transmissivitäten und Durchlässigkeitsbeiwerte in Grundwassergewinnungsgebieten und ganzen Grundwasserlandschaften. Basierend auf diesen Werten können u. a. Grundwassermodelle berechnet werden. Das Einschwingverfahren liefert gut reproduzierbare Eregebnisse. Daher kann es für häufig zu wiederholende Kontrollmessungen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Transmissivität einer flüssigkeitsführenden, durch ein Bohrloch erschlossenen Schicht, insbesondere eines Grundwasserleiters, bei dem von der Transmissivität der zu untersuchenden Schicht abgeleitete Meßwerte unter Einbeziehung einer im 3ohrloch befindlichen Flüssigkeitssäule aufgenommen, registriert und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule des Bohrloches zu einer periodischen oder einer aperiodischen gedämpften Schwingung angeregt und deren Schwingungsverlauf a's von der Transmissivität der zu untersuchenden Schicht abgeleiteter Meßwert aufgenommen, registriert und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Messungen durchgeführt und deren Ergebnisse gemittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule im abgedichteten Bohrloch durch Preßluft abgesenkt und durch schlagartiges öffnen des Bohrlochkopfes zu der Schwingung angeregt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer in die Flüssigkeitssäule des Bohrloches eingehängten Druckmeßsonde, die zum Messen von Druckunterschieden einen Federbalg aufweist, dessen Verformungen über einen Stift in elektrische Signale umwandelbar sind, welche einer Registriervorrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßsonde (16) mit einer Druckausgleichsvorrichtung (36) versehen ist und als Wandler einen Differentialtransformator (28) aufweist, dessen Induktivität mittels des Stiftes (31) veränderbar ist.