DE19725996A1 - Wasserbohrlochsystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zu Fer
tigstellung von Wasserbohrlöchern mit hoher Mengenleistung,
bei dem sich eine Förderleitung oder ein Filterrohr horizontal
durch einen Grundwasserleiter erstreckt und zusammen mit einem
schon bestehenden vertikalen Bohrloch verwendet wird, um die
Mengenleistung zu erhöhen, mit der Wasser aus dem Grundwasser
leiter gefördert werden kann oder diesen auffüllen kann.
Wasserbohrlöcher mit hoher Mengenleistung werden beispiels
weise für die landwirtschaftliche Bewässerung oder für kom
merzielle, industrielle oder städtische Versorgung verwendet.
In diesen Fällen kann eine Wassermengenleistung von mehr als
945 000 l pro Tag erforderlich sein. Eine wesentliche Verbes
serung der Mengenleistung kann durch eine horizontale Fertig
stellung erreicht werden, wie sie in den US-Patenten
5 289 888, 5 343 965 und 5 396 950 beschrieben ist, auf die
vollinhaltlich Bezug genommen wird. Von oben gesehen verändert
die Förderung durch ein längliches horizontales Filterrohr den
Querschnitt des Absenkvolumens des Grundwasserleiters von ei
nem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt bei einer ver
tikalen Fertigstellung zu einem länglichen Rechteck bei einer
horizontalen Fertigstellung, wobei die Länge des Rechtecks
ungefähr der Länge des Förderfilterrohres entspricht.
Eine horizontale Fertigstellung erhöht die Wasserfördermenge
bei einem unbegrenzten Grundwasserleiter mit einer Dicke von
12 m um den Faktor 2, wenn ein 30 m langes Förderfilterrohr
verwendet wird. Bei Verwendung eines Filterrohres von 120 m
Länge wird die Förderleistung um das 7,6fache erhöht. Solche
Erhöhungen werden bei Verwendung des gleichen Absenkdrucks er
reicht. Die Absenkung kann natürlich um diese Faktoren ver
ringert werden, wenn die gleiche Mengenleistung mit einer
horizontalen Bohrlochfertigstellung wie bei einer vertikalen
Fertigstellung gefördert wird. Beispielsweise kann mit einem
vertikalen Bohrloch in einem Grundwasserleiter Wasser mit
einem Durchsatz von 567 l pro Minute gefördert werden, wohin
gegen ein horizontales Bohrloch im gleichen Grundwasserleiter
mit einem 60 m langen Förderfilterrohr 2150 l pro Minute
fördern kann.
Viele Tausende von vertikalen Bohrungen wurden beispielsweise
in dem Ogallala Grundwasserleiter fertiggestellt, der für
ungefähr 30% der natürlichen Grundwasserversorgung verantwort
lich ist, die für die landwirtschaftliche Bewässerung in den
Vereinigten Staaten verwendet wird. Jedes Bohrloch erzeugt
einen Entnahmetrichter in dem Grundwasserspiegel, der die
Mengenleistung begrenzt. Darüber hinaus hat sich die Schicht
an gesättigtem Wasser dieses Grundwasserleiters in vielen
Jahrzehnten aufgrund einer unzureichenden Wiederauffüllung
verringert. Die einzige Lösung des Problems der verringerten
Wassermengenleistung in der Vergangenheit war mehr und mehr
vertikale Bohrlöcher zu bohren und fertigzustellen, was so
hohe Kosten mit sich bringt, daß diese Lösung ökonomisch nicht
mehr vertretbar ist.
Die folgende Erfindung ist auf ein einzelnes Wasserbohrlochsy
stem gerichtet, bei dem ein bestehendes vertikales Bohrloch
zusammen mit einem horizontalen Förderfilterrohr verwendet
wird, das nahe daran vorbeiläuft, um eine stark verbesserte
Wassermengenleistung aus einem Grundwasserleiter bei einer
Gesamteinsparung der Fertigstellungskosten zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
ein System zur Fertigstellung eines Wasserbohrlochs zu schaf
fen, das hohe Mengenleistungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie
ein System zur Fertigstellung eines Wasserbohrlochs gelöst,
bei denen ein längliches Förderfilterrohr so horizontal in
einem Grundwasserleiter angeordnet ist, daß seine Achse nahe
an die Achse des Förderfilterrohres einer bestehenden vertika
len Bohrlochbohrung angrenzend verläuft, wobei in der ver
tikalen Bohrlochbohrung eine Pumpe angeordnet ist, die Wasser
zur Oberfläche befördert. Vorzugsweise ist der Abstand der
zwei nahe aneinander vorbei laufenden Bohrlöcher nicht größer
als ungefähr 5% des effektiven Entwässerungsradius des ver
tikalen Brunnens, um eine maximale Erhöhung der Wasserförder
mengenleistung sicherzustellen. Der Absenkdruck oder der
Druckgradient, der durch den Betrieb der Pumpe erzeugt wird,
sorgt dafür, daß das meiste Wasser so gepumpt wird, daß es in
Richtung des horizontalen Förderfilterrohres wandert und darin
eintritt, wobei das horizontale Förderfilterrohr der Wasser
strömung fast keinen Widerstand bietet. Dann strömt das Wasser
in Richtung des vertikalen Bohrlochs. In dem Bereich, an dem
die beiden Förderfilterrohre nahe aneinander vorbei laufen,
strömt das Wasser aus dem horizontalen Förderfilterrohr in das
Innere der vertikalen Bohrlochbohrung, wo es durch die Pumpe
unter Druck zu Oberfläche angehoben wird. Das horizontale
Förderfilterrohr kann in dem Grundwasserleiter angeordnet
werden, wie dies in einem oder mehreren der oben genannten
Patente beschrieben ist. Dies kann auch durch verschiedene
Richtbohrtechniken erfolgen, die zum Einführen von Rohren
verwendet werden, wenn widrige Umstände wie z. B. Straßenwege
rechte oder Flüsse vorliegen. Verschiedene Richtbohrungstech
niken können für das Bohrloch verwendet werden, bei denen
Bohrmotoren eingesetzt werden. Sobald sich das horizontale
Förderfilterrohr an seinem Platz befindet, wird seine Bohrung
jenseits des inneren Endes seiner mit Schlitzen versehenen
oder perforierten Länge zugestopft. Die Verbesserung der
Wasserfördermengenleistung ist dramatisch und das Bohrsystem
ist verglichen mit den Gesamtkosten für das Bohren von mehre
ren zusätzlichen vertikalen Bohrlöchern zu Erhaltung äquiva
lenter Verbesserungen sehr kostensparend.
Die Mengenleistung wird auch dadurch verbessert, daß die Form
des Absenkungsbereichs eines bestehenden vertikalen Bohrlochs,
das sich in einen Grundwasserleiter erstreckt, von einer
Kreisform zu der Form eines länglichen Rechtecks verändert
wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische seitliche Querschnittsansicht durch
einen unterirdischen Grundwasserleiter mit einem Bohr
lochsystem, das zum Pumpen von Wasser aus dem Grund
wasserleiter angeordnet ist;
Fig. 2 eine rechte Seitenansicht von Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Erhöhung der Fördermengenlei
stung zeigt, die durch die Erfindung erreicht wird.
Fig. 1 zeigt ein vertikales Wasserbohrloch 10, das sich von
der Bodenfläche 11 in einen Grundwasserleiter 12 nach unten
erstreckt, dessen Dicke beispielsweise 12 m betragen kann. Der
Grundwasserleiter 12 ist normalerweise eine nicht verdichtete
Schicht aus Sand und Kies mit einer guten Porosität und hoher
Durchlässigkeit und mit undurchlässigen Schichten 13, 14 aus
Schiefer, die oberhalb bzw. unterhalb angeordnet sind. Obwohl
die meisten guten Grundwasserleiter aus Sand bestehen, beste
hen manche Grundwasserleiter aus Kalkstein mit Durchgängen,
die durch Auflösung vergrößert sind. Die Oberseite des Grund
wasserleiters 12 liegt häufig ungefähr 90 m unterhalb der
Oberfläche 11. Das Bohrloch 10 ist normalerweise mit einem
Casing 15 ausgefüttert, das an seinem untersten Abschnitt ein
Fördersieb oder Filterrohr 16 aufweist, das tief in dem Grund
wasserleiter 12 angeordnet ist. Eine Art, Wasser aus dem Bohr
loch 10 zu pumpen, besteht darin, einen Motor 17 auf dem Ca
singkopf 18 an der Oberfläche 11 zu befestigen, der eine
Längswelle 20 antreibt. Das untere Ende der Längswelle 20 ist
mit einer Pumpe 21 verbunden, die in das Filterrohr 16 gesetzt
ist und Wasser, das durch die Öffnungen in dem Sieb 16 strömt,
in das Casing 15 saugt, wo es dazu gezwungen wird, nach oben
und durch einen Oberflächenauslaß 22 unter Druck zu strömen.
Alternativ kann das Wasser durch eine elektrische Tauchpumpe
oder eine andere Vorrichtung mit hoher Leistung gefördert
werden. Die Linie 25 stellt die Oberseite der gesättigten
Schicht des Sandes 12 (Grundwasserspiegel) dar. Die Oberfläche
26 stellt grob ein konisches Sandvolumen dar, das viel Luft
enthält, da fast das ganze Wasser während des normalen Be
triebsverlaufs daraus durch Pumpen entfernt wurde. Die Ober
fläche 26 kann außerdem zur Bezeichnung eines Entnahmetrich
ters verwendet werden. Von oben gesehen ist die Form eines
horizontalen Querschnitts durch den Absenkbereich in der
gesättigten Schicht des Grundwasserleiters 12 insgesamt ein
Kreis mit einem Durchmesser, dessen Radius dem effektiven
Entwässerungsradius Re entspricht.
Erfindungsgemäß wird ein horizontales oder fast horizontales
Bohrloch 30 zusammen mit dem vertikalen Bohrloch 10 verwendet,
um die Wasserförderrate zu erhöhen. Wie es in den US-Patenten
5 289 888 und 5 396 950 beschrieben ist, kann das Bohrloch 30
einen oberen Abschnitt 31, der vertikal gebohrt und dann mit
einem Casing 32 ausgefüttert ist, einen Biegungsabschnitt 33
mit einem äußeren Ende, dessen Achse im wesentlichen horizon
tal ausgerichtet ist, und einen länglichen Förderabschnitt
oder ein Filterrohr 34 aufweisen, das auf geeignete Weise mit
einem Sieb versehen oder perforiert ist, um einen Zugang von
Wasser zu ermöglichen, wohingegen Sand und Kies abgehalten
werden. Der Förderabschnitt 34 ist an seinem äußeren Ende auf
geeignete Weise verstopft. Der vertikale Abschnitt 31 und der
Biegungsabschnitt 33 sind bezüglich des bestehenden vertikalen
Bohrlochs 10 so angeordnet, daß sich der innere Endabschnitt
36 des Förderfilterrohres 34, wie gezeigt etwas über die
vertikalen Bohrung 10 hinaus erstreckt und sehr nahe daran
liegt. Ein Brückenpfropfen 35 ist vorzugsweise in der Nähe des
Anfangs der Wasserströmungsschlitze oder Öffnungen in den
Förderabschnitt 34 eingesetzt.
Bezugnehmend auf die Fig. 2 sollte der Abstand d zwischen der
jeweiligen Längsachse der zwei Abschnitte 16, 34 nicht mehr als
ungefähr 60 cm betragen, um optimale Ergebnisse zu erreichen.
Die Fördermengenerhöhung E einer horizontalen Bohrlochfertig
stellung im Vergleich zu einer vertikalen Bohrlochfertigstel
lung kann folgendermaßen ausgedrückt werden
wobei L die Länge des horizontalen Förderfilterrohres und
Re der effektive Entwässerungsradius eines vertikalen
Bohrlochs ist.
Der Faktor Re ist eine Funktion gewisser Grundwasserleiterpa
rameter, wie z. B. der hydraulischen Leitfähigkeit, der spe
ziellen Festigkeit und der Dicke. Für einen normalen Grund
wasserleiter gilt K = 2440 l/Tag/m² und S = 0,15. Bei einem
nicht eingeschlossenen Grundwasserleiter mit einer Dicke von
12 m wird folgende Erhöhung der Mengenleistung bei verschiede
nen Längen des horizontalen Förderfilterrohres erreicht.
L | |
E | |
30 m | |
1,9 | |
45 m | 2,9 |
60 m | 3,8 |
90 m | 5,7 |
120 m | 7,6 |
In einem Fall, in dem ein vertikales Bohrloch in einen 12 m
dicken Grundwasserleiter eindringt und eine Höchstfördermen
genleistung von 567 l/min. hat, fördert ein horizontales För
derfilterrohr 34 mit einer Länge von 60 m in dem gleichen
Grundwasserleiter 2155 l/min. Fig. 3 ist eine graphische
Darstellung der Verbesserung bei verschiedenen Längen von
Förderfilterrohren 34, wobei die oben genannten Parameter
angenommen werden. Es wird nicht nur bei Verwendung der glei
chen Absenkung die Fördermengenleistung erhöht, sondern die
Absenkung kann auch wesentlich reduziert werden, wenn mit der
gleichen Förderleistung gefördert wird, wie bei einem ver
tikalen Bohrloch.
Um die Mengenförderleistung eines bestehenden vertikalen
Bohrlochs 10 deutlich zu verbessern, das gebohrt, fertigge
stellt und durch die Pumpe 21 in Betrieb gesetzt worden ist,
ist das zugeordnete horizontale Bohrloch 30 wie beschrieben
ausgebildet. Für eine relativ oberflächennahe Bohrlocheinrich
tung kann der horizontale Abschnitt 34 der Förderleitung durch
bekannte Verfahren zur Verlegung von Rohren unter widrigen
Umständen, wie z. B. bei Straßenwegeverordnungen und Flüssen in
ihrer Lage angebracht werden. Der Eintrittspunkt des Bohr
kopfes ist deutlich weiter entfernt, als es durch die Phantom
linien 38 in Fig. 1 gezeigt ist, so daß der Eintrittswinkel
des Eintrittsbohrlochs ungefährt 15° oberhalb der Horizontalen
liegt. Der Bohrkopf wird so gesteuert, daß er deutlich vor dem
vertikalen Bohrloch 10 mit einem im wesentlichen horizontalen
Bohren beginnt. Der Bohrkopf wird dann weiterhin in seiner
Richtung so gesteuert, daß das Bohrloch nur ein paar Fuß (ein
Fuß beträgt 30,5 cm) oder noch näher an dem Bohrloch 10 vor
beiläuft. Beträchtlich tiefere horizontale Bohrlöcher können
mit einer Ölfeldrichtbohrungstechnologie und entsprechenden
Werkzeugen gebohrt werden, einschließlich eines Unterbohr
lochinotors und eines gebogenen Übergangsstücks. Eine automati
sche Telemetrie der Richtsignale zu der Oberfläche einschließ
lich des Neigungswinkels und des Azimuts ermöglicht eine sehr
nahe Annäherung des horizontalen Abschnitts 34 zu dem vertika
len Bohrloch 10. Das vielleicht ökonomischste Verfahren zur
Bildung des horizontalen Bohrlochs 30 erfolgt gemäß der Offen
barung in dem US-Patent 5,343,065, in dem ein flexibler 90°-
Rohrbogen durch den vertikalen Abschnitt des Bohrlochs ge
drückt und dann an seinen Platz gespült oder gespritzt wird,
um den Übergang zur Horizontalen zu schaffen. Dann wird ein
flexibler, jedoch normalerweise gerader Förderabschnitt mit
einer gewählten Länge um die Biegung gedrückt und entlang der
Horizontalen in den Grundwasserleiter gespült. Einzelne Schuß
beobachtungen können dann gemacht werden, wenn die gebogene
Leitung hineingespült wird, um sicherzustellen, daß der hori
zontale Förderabschnitt nahe an dem Förderfilterrohr 16 des
vertikalen Bohrlochs 10 vorbeigeht, wenn er installiert ist.
Sobald das äußere oder untere Ende des Biegungsabschnittes 33
mit einem geeigneten brückenartigen Dichtungsstück verstopft
ist, kann die Pumpe 21 in dem vertikalen Bohrloch 10 gestartet
werden, um eine verbesserte Wasserfördermengenleistung zu
erreichen. Der Teil des Bohrlochs 30 nach dem Pfropfens 35 ist
ausdehnbar und kann herausgezogen werden, um ihn irgendwo
anders zu benutzen.
Durch die vorliegende Erfindung wird nicht nur die Wasser
fördermengenleistung erhöht. Ihre Verwendung verbessert außer
dem die künstliche Wiederauffüllung eines Grundwasserleiters
durch Pumpen von Wasser aus einer anderen Quelle oder einem
anderen Reservoir, um den Grundwasserspiegel zu erhöhen.
Der Absenkdruck, der durch den Betrieb der Pumpe 21 verursacht
wird, kann seitlich entlang des gesamten Bereichs des hori
zontalen Bohrlochs ausgedehnt werden, um eine verbesserte För
derleistung zu erreichen. Eine bedeutende Strömung von Wasser
aus dem inneren Abschnitt 36 des Förderfilterrohres 34 in das
Sieb 16 des vertikalen Bohrlochs 10 existiert in dem Bereich
40, in dem diese zwei Abschnitte am nächsten aneinander lie
gen, wobei der Abstand so nah sein sollte, wie es praktisch
möglich ist, da insbesondere die Druckabsenkung des vertikalen
Bohrlochs 10 sich von dem Bohrloch nach außen in radialer
Richtung logarithmisch verringert.
Andere Vorteile des hier offenbarten Bohrlochsystems liegen
darin, daß die bestehende Pumpeninstallation nicht beeinträch
tigt werden muß, solange keine Pumpe mit höherer Leistung
erforderlich ist, und daß die Pumpe vertikal betrieben wird,
wobei diese Orientierung die Lebensdauer der Lager und der
gleichen erhöht. Die Kosten zur Ausbildung des horizontalen
Bohrlochs 30 bilden nur einen Bruchteil der Kosten zum Bohren
und Fertigstellen einer großen Anzahl von zusätzlichen ver
tikalen Bohrlöchern, die erforderlich wären, um eine äqui
valente verbesserte Förderleistung zu erreichen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Förderung von Wasser aus einem im wesentli
chen vertikalen Bohrloch (10), das sich von der Oberfläche
(11) nach unten in einen unterirdischen Grundwasserleiter
(12) erstreckt, bei dem ein im wesentlichen horizontales
Bohrloch (30) mit beträchtlicher Länge so angeordnet wird,
daß es nahe an dem vertikalen Bohrloch (10) vorbeiläuft,
und Wasser aus dem vertikalen Bohrloch (10) gepumpt wird,
das hauptsächlich über das horizontalen Bohrloch (30) aus
dem Grundwasserleiter (12) abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
horizontale Bohrloch (30) ein äußeres Ende, das von dem
vertikalen Bohrloch (10) entfernt ist, und ein inneres
Ende (36) aufweist, das daran angrenzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
horizontale Bohrloch (30) Abschnitte (31, 33) aufweist,
die sich zur Oberfläche (11) nach oben erstrecken und die
oberen Abschnitte (31, 33) an einer Stelle (35) abge
schlossen werden, die an das innere Ende (36) des horizon
talen Bohrlochs (30) angrenzen.
4. Verfahren zur Wiederauffüllung eines Grundwasserleiters
(12), in den sich ein vertikales Bohrloch (10) erstreckt,
bei dem ein längliches horizontales Bohrloch (30) so
ausgebildet wird, daß es sich längs des Grundwasserleiters
(12) so erstreckt, daß es nahe an dem vertikalen Bohrloch
(10) vorbeiläuft, und Wasser aus einer Quelle an der Ober
fläche (11) in das vertikale Bohrloch (10) und dann in den
Grundwasserleiter (12) hauptsächlich über das horizontale
Bohrloch (30) gepumpt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
kürzeste Abstand zwischen dem horizontalen Bohrloch (30)
und dem vertikalen Bohrloch (10) nicht mehr als ungefähr
5% des Entwässerungsradius des vertikalen Bohrlochs (10)
beträgt.
6. Bohrlochsystem zur Förderung von Wasser aus einem Grund
wasserleiter (12) mit
- - einem vertikalen Bohrloch (10), das sich von der Ober fläche (11) in den Grundwasserleiter (12) erstreckt und in dem eine Pumpe (21) installiert ist und
- - einer horizontalen Bohrlochfertigstellung (30) mit einem Wasserförderabschnitt (34), der sich längs innerhalb des Grundwasserleiters (12) erstreckt, wobei der Wasser förderabschnitt (34) einen Teil aufweist, der nahe an dem vertikalen Bohrloch (10) vorbeiläuft und diesem Wasser zuführt, das in den horizontalen Wasserförder abschnitt (34) durch den Betrieb der Pumpe (21) geför dert wird.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
kürzeste Abstand zwischen dem horizontalen Wasserförder
abschnitt (34) und dem vertikalen Bohrloch (10) nicht mehr
als ungefähr 5% des Entwässerungsradius des vertikalen
Bohrlochs (10) beträgt.
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