Wie tief muss eine Flötenrohling-Auskleidung eingebaut werden?

Einbautiefe für Blind-Liner (PDF)

Zweck

In diesem Beitrag werden die Gründe für den Einbau von Blindauskleidungen bis zu einer Tiefe unterhalb der vollen Bohrlochtiefe beschrieben, um eine wirksame Abdichtung zu erzielen. Die für den Einbau einer Blindauskleidung benötigte Zeit hängt in hohem Maße von der Verteilung der Durchlässigkeit im Bohrloch ab. Die Zeit, die für die wirksame Abdichtung der meisten Bohrlöcher benötigt wird, beträgt weniger als zwei Stunden , und die Auskleidung muss sich nicht unbedingt in der Nähe des Bohrlochsbodens befinden, wenn bereits eine ausreichende Abdichtung des Bohrlochs erreicht wurde.

Hintergrund

A Solinst Flute Blank Liner lässt sich relativ einfach installieren und erfordert nur sehr wenig Zusatzausrüstung. Für diejenigen, die ihre Auskleidungen selbst installieren und bei Bedarf wieder entfernen möchten, steht eine Installationsanleitung auf DVD zur Verfügung. Der Blank-Liner wird mittels eines als „Eversion“ bezeichneten Verfahrens (das Gegenteil von „Inversion“) installiert, und während sich der Liner im Bohrloch nach unten bewegt, verdrängt er das Wasser aus dem Bohrloch. Die Verdrängung erfolgt in alle verfügbaren Strömungswege in die Formation. Während der Liner absinkt, verschließt er die Strömungswege von oben nach unten, und mit jedem durch den Liner verschlossenen Strömungsweg verringert sich die verbleibende Durchlässigkeit des Bohrlochs. Daher ist die Anfangsgeschwindigkeit des Liners beim Absinken relativ hoch und hängt von der Gesamtdurchlässigkeit des Bohrlochs sowie dem Überdruck im Liner ab. Während sich die Auskleidung absenkt, nimmt die Durchlässigkeit ab, wodurch sich die Einbaugeschwindigkeit der Auskleidung verringert. Schließlich wird die Absenkgeschwindigkeit der Auskleidung entweder so langsam sein, dass kein weiterer Einbau innerhalb eines realistischen Zeitraums mehr möglich ist, oder die Auskleidung erreicht das Ende des Bohrlochs. In vielen Fällen erreicht die Auskleidung den Boden des Bohrlochs nicht.

Nahaufnahme eines Solinst-Modell-405-Rohlings, der an einer technischen Ausrollvorrichtung an einem Feldüberwachungsstandort aufgewickelt ist

Solinst Flute Blank Liner auf Versandrolle

Angebot einholen

Die praktischen Grenzen der Verlegung von Bodenbelägen

Wenn der Einzug des Futterrohrs den untersten Strömungsweg im Bohrloch verschließt und die Durchlässigkeit des verbleibenden Bohrlochs null beträgt, geht die Geschwindigkeit des Futterrohrs gegen null, und es besteht offensichtlich keine Notwendigkeit, es weiter in das Bohrloch einzuführen.

Tatsächlich sinkt die Liner-Geschwindigkeit nach dem Verschließen des letzten nennenswerten Strömungswegs auf einen sehr niedrigen Wert, der jedoch nicht Null ist. Die Liner-Geschwindigkeit ist ein Maß für die Durchflussrate aus dem Bohrloch unterhalb des Liners. Die Durchflussmenge Q ergibt sich einfach aus dem Querschnitt des Bohrlochs multipliziert mit der Geschwindigkeit. Die Transmissivität des verbleibenden Teils des Bohrlochs beträgt T = dz C = Q ln(_r/r0)/(2 π dH), wobei dz die Länge des offenen Bohrlochs, C die Leitfähigkeit, Q die aus der Auskleidungsgeschwindigkeit und dem Bohrlochquerschnitt bestimmte Durchflussrate,_r/r₀ in der Größenordnung von 1000 und dH die treibende Überhöhe in der Auskleidung. Die Tatsache, dass der Absenkvorgang der Auskleidung eine Durchflussmessung darstellt, aus der sich T berechnen lässt, wird in einem weiteren Solinst-Flute-Verfahren genutzt, um die gesamte Durchlässigkeitsverteilung des Bohrlochs zu messen. (Diese Messung wird jedoch nur mit spezieller Ausrüstung und durch Solinst-Flute-Personal durchgeführt.)

Wie lange dauert es, bis eine so geringe Geschwindigkeit der Auskleidung erreicht ist, dass die Leitfähigkeit des restlichen Bohrlochs vernachlässigbar ist? Oder: Wie gering muss diese Geschwindigkeit sein, um als ausreichend gering zu gelten? Die Antwort hängt in gewissem Maße von der jeweiligen Situation und dem Zeitraum ab, in dem die Auskleidung das Bohrloch abdichten soll. Es gibt jedoch einige beruhigende Fakten:

Die Auskleidung drückt Wasser in die Formation. Dies ist ein notwendiger Bestandteil der Installation der Auskleidung. Das Einbringen von höchstens einem Bohrlochvolumen an Wasser in die Formation stellt normalerweise kein Problem dar, sofern das Bohrloch anschließend gut abgedichtet wird. Wenn die Auskleidung nicht bis zum Bohrlochgrund absinkt, beträgt das in die Formation verdrängte Wasservolumen weniger als ein Bohrlochvolumen.
Die Auskleidung wird durch den überschüssigen Druck in der Auskleidung angetrieben. Ist die Auskleidung an einem Ankerpunkt befestigt, der ein weiteres Absinken verhindert, gibt es im Wesentlichen keinen Antriebsdruck, der das Wasser in die Formation drückt, und das Wasser unterhalb der Auskleidung kann im Bohrloch verbleiben.
Die Auskleidungsgeschwindigkeit an der tiefsten Stelle des Bohrlochs ist ein Maß für die verbleibende Durchlässigkeit im offenen Bohrloch. Daher wird die Durchlässigkeit des Bohrlochs unterhalb der Auskleidung – unabhängig von der Länge des noch offenen Bohrlochs – anhand der Auskleidungsgeschwindigkeit gemessen.
Bei einer ausreichend niedrigen Durchlässigkeit besteht keine Gefahr eines nennenswerten Austritts aus dem Bohrloch, nachdem die Auskleidung verschlossen wurde und kein Überdruck mehr im verbleibenden offenen Bohrloch herrscht. Wie hoch ist diese ausreichend niedrige Durchlässigkeit?
Bei einem offenen Bohrloch unterhalb der Auskleidung muss in der Formation über diesen Abschnitt hinweg ein vertikales Gefälle bestehen, damit eine Strömung aus dem Bohrloch heraus entstehen kann; der ungünstigste Fall wäre, dass die Hälfte der verbleibenden Durchlässigkeit auf einem höheren Druckniveau liegt als die andere Hälfte der verbleibenden Durchlässigkeit. Dies hängt damit zusammen, dass es ohne Zufluss keinen Abfluss geben kann; in einem geschlossenen Volumen ist der Zufluss gleich dem Abfluss.

Leider ist die Druckverteilung im Bohrloch nicht bekannt, sodass auch der Druckgradient im verbleibenden offenen Bohrloch nicht bekannt ist. Daher muss sich jede Einschätzung einer ausreichend niedrigen Strömungsgeschwindigkeit auf das allgemeine Verständnis der örtlichen hydrologischen Gegebenheiten stützen. Es gibt jedoch einige recht sichere Annahmen:

Befindet sich die gesamte verbleibende Durchlässigkeit im Bohrloch unterhalb der Auskleidung in einer Zone mit gleichbleibendem vertikalem Wasserstand, gibt es keine Quellzone, die Wasser aus dieser verbleibenden Zone verdrängen könnte. Daher ist das Bohrloch dauerhaft ausreichend abgedichtet.
Wenn der Durchfluss aus dem nicht abgedichteten Teil des Bohrlochs nicht größer wäre als das verbleibende Volumen des offenen Bohrlochs, wäre dies nichts anderes, als die Auskleidung bis zum Bohrlochgrund vorzuschieben. Die Zeitspanne, in der ein solcher Durchfluss auftreten könnte, spielt keine Rolle. Diese Zeitspanne wird im Folgenden berechnet.
Nach Ablauf dieser Durchflusszeit wäre der nachfolgende Durchfluss bedenklich, wenn die Zuflusszone kontaminiert und die Abflusszone nicht kontaminiert wäre.
Die Durchflussmenge aus dem Bohrloch unterhalb der Auskleidung steht in direktem Zusammenhang mit dem Verhältnis zwischen der natürlichen Druckdifferenz in diesem offenen Bohrlochabschnitt und der Druckdifferenz während des Einbaus der Auskleidung. Die Durchflussmenge während des Einbaus ist bekannt. Der Abfluss lässt sich anhand einer beliebigen angenommenen Druckdifferenz im nicht abgedichteten Abschnitt abschätzen.
Sofern sich der unverdichtete Abschnitt nicht über zwei Aquitarden erstreckt, dürfte der Druckunterschied in dem Abschnitt unterhalb der Auskleidung relativ gering sein.

Anhand der oben genannten Verallgemeinerungen lässt sich die Ausströmungsrate aus dem Bereich unterhalb der Auskleidung abschätzen.

Bei der Durchführung einer typischen Messung der hydraulischen Leitfähigkeit in einem Bohrloch brechen wir die Messung in der Regel ab, sobald die Geschwindigkeit des Messschlauchs auf unter 0,001 ft/sec bzw. 0,06 ft/min sinkt (bei kleineren Bohrlöchern gilt ein höherer Wert). Das bedeutet, dass sich das Messseil/die Messhülse mit der doppelten Geschwindigkeit, also 1,5″/min, in das Bohrloch vorarbeitet. Bei einem Bohrloch mit einem Nenndurchmesser von 5 Zoll entspricht dies bei unserem typischen Förderdruck von 15–20 ft etwa 0,06 gal/min. Dies entspricht einer verbleibenden Transmissivität im Bohrloch von ~ 0,02 cm²/s. Wenn zu diesem Zeitpunkt 20 ft des Bohrlochs unterhalb der Auskleidung offen sind, können wir die Zeit abschätzen, die benötigt würde, um dieses Wasservolumen im Loch unterhalb der Auskleidung in die Formation abfließen zu lassen, sofern wir von einem Druckunterschied im Loch unterhalb der Auskleidung ausgehen. Bei einer angenommenen Fallhöhe von 0,5 ft in diesem 20-ft-Intervall würde es 18 Tage dauern, bis dieses 20-ft-Bohrlochvolumen in das Umgebungsgestein verdrängt wäre. Dieses Ergebnis gilt für den ungünstigsten Fall, bei dem die Hälfte der Durchlässigkeit dem Zufluss und die andere Hälfte dem Abfluss aus dem Bohrloch entspricht. Ist das offene Bohrloch bei gleicher Endgeschwindigkeit länger, verlängert sich die Zeit proportional.

Ist der Druckunterschied größer oder die Strömungsgeschwindigkeit höher, verkürzt sich die Zeit entsprechend. In den meisten Fällen beträgt der maximale Durchfluss aus dem Bohrloch deutlich weniger als 1 % des Durchflusses bei offenem Bohrloch. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Auskleidung die durchlässigeren Zonen abdichtet und in der Regel die vertikale Druckdifferenz im verbleibenden offenen Bohrloch drastisch verringert. Die Einbaugrenze für die Profilierung liegt im Allgemeinen deutlich unterhalb der Grenze für den Einbau einer temporären Blindauskleidung.

Die empfohlene Installationszeit

Unsere Erfahrungen mit der Leitfähigkeitsmessung zeigen, dass die meisten Löcher innerhalb von weniger als etwa zwei Stunden nach dem Einbau der Blindauskleidung gut abgedichtet sind. Befindet sich im unteren Bereich des Bohrlochs eine Zone mit starker Strömung, lässt sich der Vorgang in deutlich kürzerer Zeit durchführen. Weist das Bohrloch eine sehr geringe Gesamtdurchlässigkeit auf, die größtenteils im unteren Bereich des Bohrlochs liegt, kann es sinnvoll sein, die Verlegung länger als 2 Stunden durchzuführen. Die empfohlene Einführgeschwindigkeit des Führungsseils sorgt für eine durchlässige Zone unterhalb der Auskleidung von ca. 0,2^cm²/s. Der empfohlene Zeitpunkt zum Beenden der Installation ist erreicht, wenn sich das Führungsseil/die Auskleidung mit einer Geschwindigkeit in das Bohrloch bewegt, die kleiner oder gleich dem folgenden Wert ist:

Mindestgeschwindigkeit des Seils/der Auskleidung = 20 Zoll/min × (dH/15′) × (3″/r)^²

Dabei ist dH die in Fuß angegebene Förderhöhe (in der Regel die Tiefe bis zum Grundwasserspiegel oder weniger als 20 ft), r ist der Radius des Bohrlochs. Bei einem Bohrloch mit 6″ Durchmesser und einer Förderhöhe von 15 ft würde die Grenzgeschwindigkeit des Zugseils bei 20 Zoll/Minute liegen. Bei einer Einpresshöhe von 15 ft bedeutet dies oft eine Installationszeit von etwa 2 Stunden oder weniger. Damit verbleibt eine Restdurchlässigkeit unterhalb der Auskleidung von 0,2^cm²/s.

Die Geschwindigkeit lässt sich am besten bei einer Zugkraft von etwa 5 lb am Verbindungsseil messen. Dieser Grenzwert ist unabhängig von der Bohrlochlänge. Befindet sich der Eintriebskopf nur 5 ft tief im 6″-Bohrloch, würde sich die Grenzgeschwindigkeit auf ~7″/min verringern. Es ist offensichtlich schneller, einen Eintriebskopf zu verwenden, der länger als 5 ft ist. Glücklicherweise lässt sich die Grenzgeschwindigkeit sehr abrupt ermitteln, sobald die Auskleidung den letzten größeren Strömungsweg passiert.

Wenn eine niedrigere Transmissionsgrad erforderlich ist (z. B. 0,1 gegenüber 0,2^cm²/s), kann die Mindestgeschwindigkeit entsprechend verringert werden. Dies verlängert sowohl den Einbau als auch die Demontage.

Wenn die Auskleidung nur für einige Wochen an Ort und Stelle verbleiben soll, ist es nicht notwendig, das Loch so großflächig abzudichten wie bei einer längeren Verweildauer. Die Geschwindigkeit des Führungsseils lässt sich bestimmen, indem man das Seil zwanzig Zoll von der Oberkante des Futterrohrs entfernt markiert und die Zeit misst, die die Markierung benötigt, um das Futterrohr zu erreichen. Beträgt diese etwa 1 Minute, ist es an der Zeit, das Festbinden von Leine und Auskleidung in Betracht zu ziehen. Oft ist es sinnvoll, die Auskleidung bis mindestens zur Hälfte ihrer Länge einzubringen, sodass nur die Leine außerhalb des Lochs verbleibt. Dies ist jedoch eher eine Erleichterung als eine Notwendigkeit.

Ein wichtiger praktischer Aspekt ist, dass der Zeitaufwand für das Entfernen des Liner in etwa dem Zeitaufwand für dessen Einbau entspricht. Erreicht man eine sehr geringe Fließgeschwindigkeit und füllt dann den Liner, ohne ihn am Bohrlochkopf an einem Anker zu befestigen, um sein Absinken zu verhindern, wird sich der Liner weiter im Bohrloch nach unten bewegen, bis der Überdruck im Liner aufgebraucht ist. Dies hat zwei Nachteile: Zum einen steht im gesamten Liner kein ausreichender Überdruck mehr zur Verfügung, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, und zum anderen kann das Entfernen des Liners durch Umkehrung sehr lange dauern. Es wird dringend empfohlen, den Liner nicht so weit absinken zu lassen, bis der Überdruck abgebaut ist, ohne ihn zuvor wieder zu befüllen.

Das Ein- und Ausbau der Auskleidung sollte mit fundierten Kenntnissen über die jeweiligen Vorgehensweisen erfolgen. Die Anleitung unter
ist bei Solinst Flute unter [email protected] oder telefonisch unter +1 (505)-852-0128 erhältlich.