ROHNER, Ernst (Stationsstraße 24, Arnegg, CH-9212, CH)
MÉGEL, Thomas (Ottostraße 33, Zürich, CH-8005, CH)
ROHNER, Ernst (Stationsstraße 24, Arnegg, CH-9212, CH)
| P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren zur Hinterfüllung eines in ein Bohrloch eingebrachten Funktionselementes, bei dem ein Hinterfüllungsmaterial über wenigstens ein zum Fuss de Funktionselementes, bevorzugt bis zur Bohrlochsohle, geführtes Injektionsrohr von einer außerhalb des Bohrlochs angeordneten Injektionspumpe in das Bohrloch injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Injektionsvorgangs der Injektionsdruck und die Injektionsrate zur Bestimmung geometrischer oder physikalischer Eigenschaften des Bohrlochs, des Untergrunds und/oder des Hinterführungsmaterials fortlaufend gemessen werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Dichte und Viskosität des Hinterfüllungsmaterials gemessen werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Dichte und Viskosität des Hinterfüllungsmaterials aus den gemessenen Daten für Injektionsdruck und Injektionsrate rechnerisch abgeleitet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Daten der tiefenabhängige Bohrlochdurchmesser bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Daten die Tiefenlage von durchlässigen Klüften bestimmt wird Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Daten das aufgenommene Volumen an Hinterfüllungsmaterial in den durchlässigen Klüften bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Daten Eigenschaften des eingebauten Funktionselementes bestimmt werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Daten die Rauhigkeit der Bohrlochwand bestimmt wird. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit - einem Bohrloch, - einem im Bohrloch eingeführten Funktionselement, - wenigstens einem Injektionsrohr im Bohrloch, das bis zum Fuss des Funktionselementes, bevorzugt bis zur Bohrlochsohle führt, - einer Injektionspumpe, die außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist, mit einem Hinterfüllungsmaterial beaufschlagbar ist und an der das wenigstens eine Injektionsrohr angeschlossen ist, wobei zwischen Injektionspumpe und Injektionsrohr mindestens ein Drucksensor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Injektionspumpe und Injektionsrohr ferner mindestens ein Fließratensensor angeordnet ist. Anordnung zur Durchführung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Injektionspumpe und Injektionsrohr eine Dichte- und Viskositätsmessvorrichtung angeordnet ist. Anordnung zur Durchführung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Erfassungs- und Auswertemittel mit Wirkverbindungen zum Drucksensor und zum Fließratensensor vorgesehen sind. 12. Anordnung zur Durchführung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrloch als Erdwärmesonde ausgebildet ist. |
Verfahren zur Hinterfüllung eines Bohrlochs und Anordnung dafür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hinterfüllung eines in ein Bohrloch eingebrachten Funktionselementes, bei dem ein Hinterfüllungsmaterial über wenigstens ein zum Fuss des Funktionselementes, bevorzugt bis zur Bohrlochsohle, geführtes Injektionsrohr von einer außerhalb des Bohrlochs angeordneten Injektionspumpe in das Bohrloch injiziert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens mit einem Bohrloch, einem im Bohrloch eingeführten Funktionselement, wenigstens einem Injektionsrohr im Bohrloch, das bis zum Fuss des
Funktionselementes, bevorzugt bis zur Bohrlochsohle führt, einer Injektionspumpe, die außerhalb des Bohrlochs
angeordnet ist, mit einem Hinterfüllungsmaterial
beaufschlagbar ist und an der wenigstens ein Injektionsrohr angeschlossen ist.
Bohrlöcher im Untergrund dienen unterschiedlichen Zwecken, die durch eingefügte Funktionselemente erfüllt werden. Teils sind Bohrlöcher auch einfach nach Ablauf der Nutzungsdauer entsprechend zu verschließen. Zudem dürfen Bohrlöcher verschiedene Grundwasserstockwerke nicht miteinander verbinden (Grundwasserschutz) . Entsprechend sind
Funktionselemente nach deren Einbringung in Bohrlöcher zu hinterfüllen bzw. sind Bohrlöcher nach Ablauf ihrer
Nutzungsdauer zu hinterfüllen bzw. zu verfüllen. Dazu ist es bekannt, ein Injektionsrohr bis zum Fuss des
Funktionselementes, meist knapp über der Bohrlochsohle, niederzubringen und von der Erdoberfläche mit einer Pumpe ein Hinterfüllungsmaterial in das Bohrloch über das
Injektionsrohr einzubringen. Dabei tritt das Hinterfüllungsmaterial am abwärtigen Ende des
Injektionsrohres nahe des Fusses des Funktionselementes aus und steigt im Bohrloch bis zum Bohrlochkopf oder einer vorgegebenen Steighöhe auf. In einigen Fällen wird die Verfüllung auch vom tiefsten Punkt zum oberflächennahsten Punkt stufen- bzw. abschnittsweise durchgeführt.
Dabei ist mit Funktionselement ein in das Bohrloch
einzuführendes Bauteil gemeint, das mit einer entsprechenden Hinterfüllung im Bohrloch verankert werden soll. Somit kann Funktionselement eine Bohrlochverrohrung, auch ein
Filterrohr, ein U-Rohr, wie es für Erdwärmesonden verwendet wird, sowie im Bohrloch fest zu verankernde Messsysteme oder dergleichen sein.
Für die Erdwärmenutzung sind sogenannte Erdwärmesonden bekannt, zu deren Erstellung meistens ein oder zwei U-Rohre in ein Bohrloch, meist bis zur Bohrlochsohle, eingebracht werden. Durch die U-Rohre wird eine Wärmeträgerflüssigkeit von der Erdoberfläche bis zur Bohrlochsohle und wieder nach oben gefördert. Dabei wird dem Untergrund Wärme entzogen oder für Kühlungen Wärme eingebracht. Der
Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Untergrund und der Wärmeträgerflüssigkeit soll möglichst gering sein. Da, wie eingangs bereits dargestellt, das Bohrloch zudem
verschiedene Grundwasserstockwerke nicht miteinander verbinden darf, wird der Zwischenraum zwischen den U-Rohren der Erdwärmesonde und der Bohrlochwand mit einem geeigneten Hinterfüllungsmaterial, beispielsweise ein gut
wärmeleitendes Zement-Zuschlagstoffgemisch, verfüllt.
Diese bekannten Verfahren zur Hinterfüllung von Bohrlöchern erlauben keine Aussage über die Qualität der erstellten Hinterfüllung. Bei der Injektion wird lediglich darauf gewartet, bis das über die Injektionsrohre injizierte
Hinterfüllungsmaterial soweit im Bohrloch ansteigt, dass es die Oberfläche, also den Bohrlochkopf erreicht. Abweichungen vom Bohrlochdurchmesser, das Vorhandensein von Klüften oder anderen Störungszonen im Bereich des Bohrlochs sowie
Eigenschaften des eingebauten Funktionselementes werden ebenfalls nicht erfasst.
Ein Verfahren zum Einbau einer Erdwärmesonde bzw. für die Instandsetzung einer Erdwärmebohrung ist aus der DE
10 2007 016 682 B3 bekannt. Dabei wird der äußere Ringraum einer Bohrung mit eingesetzter U-Rohr-förmiger Erdwärmesonde von einem im Bohrloch eingeführten Manschettenrohr mit einem Bindemittel verfüllt. In das Manschettenrohr wird ein
Hochdruckschlauch mit zwei Packern hinabgelassen und über Durchtrittsöffnungen im Manschettenrohr der Ringraum und den umgebenden Boden mit dem unter Hochdruck zugeführten
Bindemittel verfüllt. Damit kann eine Erdwärmesonde durch die Einbringung eines Manschettenrohrs mit Hochdruckschlauch und zwei Packern auch in Bohrungen eingebaut werden, die in erster Linie zur Untergrundstabilisierung durch eine
Hochdruckinjektion eines Bindemittels dienen. Eine Erfassung oder Auswertung von physikalischen Parametern erfolgt hier nicht .
Aus der EP 0 048 342 Bl ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Abgeben eines Druckmediums, das von einer Pumpeneinrichtung mit sich änderndem Druck gefördert wird, bekannt, bei der der jeweilige Injektionsdruck erfasst wird. Dabei dient die Injektionsdrucksteuerung lediglich zur Vermeidung von Druckspitzen während der Injektion, also zur Schonung der an der Injektion beteiligten Bauteile sowie dem zu füllenden Verankerungsbohrloch.
Aus CH 609 423 A5 sind Anordnungen zum Einpressen von
Injektionsgut von in Tunnelwänden aus eingebrachten
Bohrungen zur Stabilisierung des Tunnelprofils bekannt.
Dabei wird der Druck und der Volumenfluß gemessen und daraus die Fördermenge des Injektionsgutes geregelt. Mit der
Anordnung soll eine gleichzeitige Injektion in eine große Anzahl von Bohrlöchern möglich gemacht werden, wobei sowohl der Injektionsfluß als auch der Einpressdruck für jedes einzelne Bohrloch während des Injektionsvorganges unabhängig gesteuert werden können. Es wird allein die Totalmenge des Injektionsgutes als einzigen rechnerisch abgeleiteten Wert aus den gemessenen Daten angegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise während des Injektionsvorgangs Eigenschaften des Bohrlochs, des
eingebauten Funktionselementes und der Hinterfüllung zu ermitteln. Gelöst wird diese Aufgabe verfahrensgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 und vorrichtungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 9.
Dadurch, dass während des Injektionsvorgangs der
Injektionsdruck und die Injektionsrate zur Bestimmung geometrischer oder physikalischer Eigenschaften des
Bohrlochs, des Untergrunds und/oder des
Hinterführungsmaterials fortlaufend gemessen werden, können aus den gemessenen Daten unter Berücksichtigung des Standes der Hinterfüllung im Bohrloch, der Reibung im
Injektionsrohr, der Reibung an der Bohrlochwand und an etwaigen Funktionselementen, beispielsweise der Verrohrung oder dem U-Rohr einer Erdwärmesonde, und der Dichte und Viskosität des Hinterfüllungsmaterials die Eigenschaften des hinterfüllten Bohrlochs und der eingebrachten Hinterfüllung ermittelt werden. Dafür können bekannte analytische oder numerische Verfahren für die Druck- und
Druckverlustberechnung herangezogen werden.
Wenn die Dichte und Viskosität des Hinterfüllungsmaterials gemessen werden, können die als bekannt vorausgesetzten Werte für Dichte und Viskosität des Hinterfüllungsmaterials durch die tatsächlich gemessenen ersetzt werden, was die Genauigkeit der Berechnung erhöht. Bevorzugt ist dafür zwischen Injektionspumpe und Injektionsrohr eine Dichte- und Viskositätsmessvorrichtung angeordnet . Alternativ werden die Dichte und Viskosität des
Hinterfüllungsmaterials aus den gemessenen Daten für
Injektionsdruck und Injektionsrate rechnerisch abgeleitet. Dazu werden bekannte Gleichungen für den
Rohrreibungsdruckverlust verwendet und die Werte für Dichte und Viskosität in einem iterativen Verfahren dem gemessenen, anfänglichen Injektionsdruckverlauf angepasst.
Dadurch, dass aus den gemessenen Daten für Injektionsdruck und Injektionsrate der tiefenabhängige Bohrlochdurchmesser bestimmt wird, kann der Bohrlochdurchmesser über die Tiefe für das gerade hinterfüllte Bohrloch ermittelt werden.
Ebenso wird aus den gemessenen Daten für Injektionsdruck und Injektionsrate die Tiefenlage von durchlässigen Klüften bestimmt .
Die gemessenen Daten erlauben auch Rückschlüsse über das in den durchlässigen Klüften aufgenommene Volumen an
Hinterfüllungsmaterial. Ferner können die Eigenschaften der eingebauten Funktionselemente, wie beispielsweise
Undichtigkeiten, bestimmt werden. Ebenfalls lassen sich Eigenschaften des Hinterfüllungsmaterials ermitteln. Bei einer sehr hohen Auflösung der Messdaten ist es sogar möglich, aus den gemessenen Daten für Injektionsdruck und Injektionsrate die Rauhigkeit der Bohrlochwand zu bestimmen
Vorrichtungsgemäß sind Erfassungs- und Auswertemittel mit Wirkverbindungen zu mindestens einem Drucksensor und einem Fließratensensor vorgesehen. Die Daten des Drucksensors und des Fließratensensors werden kontinuierlich oder in hoher Taktzahl während des gesamten Hinterfüllungsvorgangs gemessen und an das Erfassungsmittel über die Wirkverbindung übermittelt. Das Erfassungsmittel speichert die Daten und stellt sie einem Auswertemittel zur Verfügung. Das
Auswertemittel enthält die erforderlichen analytischen oder numerischen Verfahren zur Berechnung der gewünschten Auswerteergebnisse. Bevorzugt ist das Erfassungs- und
Auswertemittel ein Computer.
Nachfolgend werden Berechnungen des theoretischen
Injektionsdruckes an einem Beispiel mit drei Variationen anhand der beiliegenden Figuren beschrieben.
Darin zeigt
Fig. 1 ein Bohrloch mit einem konstanten Bohrlochradius von 68 mm,
Fig. 2 ein Bohrloch mit einem im mittleren Tiefenbereich vergrößerten Radius,
Fig. 3 ein Bohrloch mit einem über die gesamte Tiefe
vergrößerten Radius von 80 mm und
Fig. 4 der berechnete theoretische Injektionsdruck für die drei Bohrlochvariationen gemäß Fig. 1 bis 3 über der Injektionszeit.
In Fig. 1 ist das Kaliber eines Bohrlochs mit einem
Bohrlochradius von 68 mm und 250 m Tiefe dargestellt. In Fig. 2 weist das dort dargestellte Bohrloch im Bereich von ca. 100 - 175 m eine Bohrlocherweiterung auf 80 mm auf. Im übrigen entspricht dieses Bohrloch dem in Fig. 1
dargestellten. In Fig. 3 ist das Kaliber des Bohrlochs über den gesamten Tiefenbereich auf 80 mm erweitert.
Zu diesen drei Variationen erfolgte eine theoretische
Injektionsdruckberechnung. Dafür wurden folgende
Voraussetzungen festgelegt:
- Tiefe des Bohrlochs 250 m,
- Injektionsrate des Hinterfüllungsmaterials 2 1/s,
- Dichte des Hinterfüllungsmaterials 1.240 kg/m 3 , - Viskosität des Hinterfüllungsmaterials 2,9 x IGT m/s,
- vorgegebener Durchmesser der eingebauten U-Rohre
(Erdwärmesonde) ,
- vorgegebener Durchmesser der Injektionsrohre.
Mit diesen Voraussetzungen konnte dann der Druckverlauf über die Injektionszeit in Abhängigkeit der Injektionsdauer anhand der tiefenabhängigen Bohrlochdurchmesser der
Varianten gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 berechnet werden. Die daraus resultierenden Graphen für die drei Varianten sind in Fig. 4 dargestellt. Der Übersicht halber ist der
Druckbereich in Fig. 4 von 10 bar bis 20 bar gespreizt, da bis 13,5 bar lediglich ein steiler Anfangsdruckaufbau erfolgt . Für das Bohrloch 1 (Fig. 1) ergibt sich nach Erreichen des erforderlichen Injektionsdrucks bei ca. 13,5 bar ein linearer Druckanstieg mit der Zeit bis bei ca. 1.200
Sekunden das Bohrloch vollständig verfüllt ist.
Für die Bohrlochvariante 2 (Fig. 2) mit dem größeren Radius im mittleren Tiefenbereich ergibt sich eine deutliche
Veränderung der Injektionsdruckkurve mit einem flacheren Druckanstieg im Bereich zwischen ca. 500 Sekunden bis 1.000 Sekunden. Die Knickpunkte der Kurve entsprechen dabei den Tiefenlagen der Radiusänderungen im Bohrloch. Für die dritte Bohrlochvariante (Fig. 3), die über die gesamte Länge den größeren Radius von 80 mm hat, ergibt sich die Injektionsdruckkurve, die in Fig. 4 mit Nr. 3
gekennzeichnet ist. Erwartungsgemäß steigt der
Injektionsdruck aufgrund des größeren zu verfüllenden
Volumens langsamer an.
Der Absolutwert von ca. 13,5 bar des anfänglichen
Injektionsdruckes ist hier vor allem eine Funktion der Viskosität des Hinterfüllungsmaterials und daher in den hier berechneten Varianten im wesentlichen übereinstimmend. Daher kann die Viskosität des Hinterfüllungsmaterials auch sehr gut anhand der ermittelten Messwerte bei einer In-situ- Messung skaliert werden.