DE2856896C2

DE2856896C2 - Verfahren und Bohrlochsonde zum Messen der wärmeinduzierten Bohrlochkonvergenz

Info

Publication number: DE2856896C2
Application number: DE2856896A
Authority: DE
Inventors: Burkhard 7523 Graben-Neudorf Haferkamp; Bernd Dipl.-Phys. 7514 Eggenstein-Leopoldshafen Hofmann; Ekkehard Dipl.-Phys. 7500 Karlsruhe Korthaus; Roland Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Müller
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-12-30
Filing date: 1978-12-30
Publication date: 1984-07-05
Also published as: DE2856896A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Bohrlochsonde zum Durchführen des Verfahrens.

Verfestigte hochradioaktive Abfälle werden z. B. in edelstahlummantelte Behälter eingeschlossen und zur Endlagerung in kalibirierte Bohrungen in Steinsalzformationen des tiefen geologischen Untergrundes übereinander gestapelt. Die hochaktiven Abfälle geben über längere Zeit Wärme an ihre Umgebung ab, so daß es zu einer Aufheizung des Salzgebirges mit deutlichen Auswirkungen auf das Konvergenzverhalten der Lagerbohrungen kommt.

Die Erwärmung und die dadurch verursachte thermi-

sehe Ausdehnung des Gebirges führen bei gleichzeitiger Erhöhung der Fließfähigkeit des Salzes zu einer Verkleinerung des Querschnittes der Lagerbohrung. Um die Rückholbarkeit der HAW-Behälter sicherzustellen, ist eine Verrohrung der Bohrlöcher im Salzstock erforderlich. Dabei darf eine Druckbelastung in keinem Fall zu einer Einengung des Rohrquerschn.ites führen.

Es ist bekannt, zum Messen von Geschwindigkeit und Betrag der Querschnittsänderung in das Bohrloch eine Heizeinrichtung mit elektrischer Widerstandsheizung einzubringet!, den Salzstock über einen Zeitraum von mehreren Wochen mit einer vorbestimmten Heizleistung zu erwärmen und die Konvergenz des Bohrloches in der zu erwartenden. Durchmesseränderung angemessenen zeitlichen Abständen mit einer besonderen Meßanordnung zu messen. Diese bekannte Meßanordnung besteht im wesentlichen aus zwei um 90° gegeneinander versetzten, die Bohrung abtastenden Meßfühlerpaaren mit gegeneinander und gegen eine Zentralplatte verschiebbaren Meßkeilen vorbestimmter Steigung. Die positiven oder negativen Abweichungen von einem Eichdurchmesser werden durch induktive Wegaufnehmer (Differential-Drosseln) bestimmt. Die Nachteile dieser bekannten Einrichtung bestehen insbesondere darin, daß bei jeder einer Vielzahl von Messungen die Heizeinrichtung aus dem Bohrloch entfernt und die Meßanordnung eingeführt werden muß. Dabei kann nicht ausgeschlossen werden, daß unterschiedliche Meßpositionen angefahren werden und eine Beeinträchtigung der Genauigkeit der Meßergebnisse eintritt, die Fehlinterpretationen zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, ohne Unterbrechung des Heizvorganges kontinuierliche Messungen der Bohrlochkonvergenz an definierten Stellen des Bohrloches mit hoher Genauigkeit über einen langen Zeitraum durchzuführen und eine Bohrlochsonde anzugeben, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene Verfahren und die im Kennzeichen des Anspruches 2 beschriebene Bohrlochsonde gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bohrlochsonde während der sich über Monate erstreckende Meßreihe in ihrer vorbestimmten Meßposition verbleiben kann, so daß Meßwertverfälschungen infolge von Positionsänderungen mit Sicherheit ausgeschlossen werden, und daß deren kompakter Aufbau eine wesentliche Vereinfachung ihrer Handhabung bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Prinzipieller Aufbau der Meßeinrichtung,

F i g. 2 Prinzipschaltbild der Meßeinrichtung,

F i g. 3 Kalibrierungskurve,

F i g. 4 Kurve der Bohrlochkonvergenz,

F i g. 5 Längsschnitt einer Bohrlochsonde.

In einen Salzstock 1 ist, wie in Fig. 1 angedeutet, ein Bohrloch 2 mit dem Radius reingebracht. Eine ringförmige Elektrode ist als Außenelektrode 3 eines Zylinderkondensators dicht an die Wand 4 des Bohrloches 2 angeschlossen. Koaxial zu der Außenelektrode 3 ist eine ebenfalls ringförmige Innenelektrode 5 mit festem Radius angeordnet. Die Außenelektrode 3 besteht aus einem elastischen Werkstoff, z. B. Edelstahlbleeh, ist als offener Rinjj miteinander überlappenden rinden ausgebildet und kann Durehmesseränderungeii des Bohrloches 2 folgen, die mit einer Änderung der Meßkapazität Cm des Zylinderkondensators in einer definierten Beziehung stehen.

Das Prinzipschaltbild einer Meßeinrichtung mit einer in der vorgeschlagenen Bohrlochsonde angeordneten Meßkapazität Cv/ ist in F i g. 2 dargestellt.

Die Innenelektrode 5 ist über ein erstes abgeschirmtes Kabel 6 an einen Sinus-Generator 7 angeschlossen,

ίο der eine Spannung Ua — 5 \_cfrbei einer Frequenz /"von 10 KHz bzw. 1 KHZ abgibt. Über ein zweites abgeschirmtes Kabel 8 ist die Außenelektrode 3 über einer. Widerstand A=IK Ohm an Erdpotential gelegt. An dem Widerstand R wird die Signalspannung Us mit einem Spannungsmesser 9 gemessen. Die Kapazitäten der Signalkabel 6, 8 und der Außenelektrode 3 bilden eine Streukapazität Cs- Durch geeignete Wahl der Frequenz /und des Widerstandes R kann die Bedingung

R<

& C ν

und R<

ω C_s

erfüllt werden, so daß zwischen der Signalspannung Us und der Meßkapazität Cm die Beziehung besteht

Us = 2 ■ .τ ■ f ■ R ■ U₀ ■ Cs,(r) = K ■ C_M(r):

K = const. Die an dem Widerstand R gemessene Signalspannung Us ist also der Meßkapazität Cv/ direkt proportional und, da die Meßkapazität Cm mit zunehmendem Radius rder Außenelektrode 3 kleiner wird, ist die Signalspannung ίΛ-auch ein Maß für den Radius r.

Wird in einer Eichanordnung der Radius rder Außenelektrode geändert und dabei die Signalspannung Us gemessen, so ergibt sich die in F i g. 3 dargestellte Eichkurve 10 für Us/U₀ = l{2r), aus der für normierte Signalspannungen UJUo die Änderungen des Radius rablesbar sind. Wird die Zeit, während der dem Bohrloch eine konstante Heizleistung zugeführt wurde an der Abszisse und die Radiusänderung z/ran der Ordinate angetragen, so ergibt sich z. B. für 330 > D > 230 die in F i g. 4 gezeichnete Kurve 11 der Bohrlochkonvergenz.

Der in F i g. 5 gezeigte Längsschritt stellt eine beispielhafte Ausführung der vorgeschlagenen Bohrlochsonde dar. Die Gesamtlänge eher ausgeführten Bohrlochsonde beträgt etwa 2400 mm bei einem Durchmesser 2r₀ des Bohrloches bei Beginn der Messung von 170 mm. Der Außendurchmesser der Innenelektroden 5 ist etwa 133 mm, so daß Bohrlochkonvergenzen bis etwa 2ri = 140 mm meßbar sind. Die Bohrlochsonde besteht im wesentlichen aus einer Heizeinrichtung 20, einem unterhalb der Heizeinrichtung angeordneten ersten Elektrodenträger 21 und einem oberhalb der Heizeinrichtung angeordneten zweiten Elektrodenträger 22.

Die Heizeinrichtung 20 besteht aus einem rohrförmigen Wickelkörper 23, in dessen Außenseite eine wendeiförmige Nut 24 gefräst ist, in die ein elektrisch isolierter Widerstandsdraht 25 eingelegt ist. An den Enden der Heizeinrichtung 20 und durch zwei weitere, in Achsrich-

bo tung gleichmäßig verteilte Distanzringe 26 wurden drei gleich große zylindrische Teilflächen gebildet, die mit einer wärmebeständigen Isolierschicht abgedeckt sind und Innenelektroden 5.1 bis 5.3 eines ersten bis vierten Me^kondensators Cam bis Cv/ 3 aufnehmen. Der rohr-

bj förmige Wickelkörper 23 der Heizeinrichtung isl an seiner unteren Stirnseite durch eine erste Abdeckplatte 27 mit einer zentralen Bohrung 28 und an seiner oberen Stirnseite durch eine zweite Abdeckplatte 29 mit einer

zentralen Bohrung 30 und einem angeschweißten Kuppiungsrohr31 abgeschlossen.

Der zweite Elektrodenträger 21 besteht aus einem rohrförmigen Tragkörper 32, auf den elektrisch isoliert eine vierte Innenelektrode 5.4 eines vierten Meßkordensators Cam aufgebracht ist. Die untere Stirnseite des ersten Elektrodenträgers 21 ist durch eine dritte Abdeckplatte 33 mit einer zentralen Bohrung 34, die obere Stirnseite durch eine vierte Abdeckplatte 35 mit einer zentralen Bohrung 36 und einem angeschweißten to Kupplungsrohr 37 abgeschlossen.

Der zweite Elektrodenträger 22 ist entsprechend aufgebaut und besteht aus einem rohrförmigen Tragkörper 38, auf den elektrisch isoliert eine fünfte Innenelektrode 5.5 eines fünften Meßkondensators Cm % aufgebracht ist. Die untere Stirnseite des zweiten Elektrodenträgers 22 ist durch eine fünfte Abdeckplatte 39 mit zentraler Bohrung 40. die obere Stirnseite durch eine sechste Abdeckplatte 41 mit zentraler Bohrung 42 abgeschlossen.

Der erste Elektrodenträger 21 ist über sein Kupplungsrohr 37 axial verschiebbar mit der unteren Stirnseite der Heizeinrichtung 20, der zweite Elektrodenträger 22 ist über das Kupplungsrohr 31 der Heizeinrichtung 20 axial verschiebbar an das obere Ende der Heizeinrichtung angeschlossen. Zum Zentrieren der Bohrlochsonde ist an die untere Stirnseite des ersten Elektrodenträgers 21 eine Spannplatte 43 mit einem Zentrierbolzen 44 über einen Kupplungsbolzen 45 axial verschiebbar angeschlossen. An die obere Stirnseite des zweiten Elektrodenträgers 22 ist über ein Kupplungsrohr 46 axial verschiebbar eine Transporteinrichtung 47 zum Einsetzen der Bohrlochsonde angeschlossen. Eine Konvektionsbremse 48 mit einer Tragplatte 49 zum Festklemmen einer Mineralfaserplatte 50 zum Verschließen des Bohrloches 2 ist mit der Transporteinrichtung 47 verbunden.

Die Zentriereinrichtung besteht im wesentlichen aus sechs an die Augen 51 der in Achsrichtung benachbarten Spannplatte 43 und der dritten Abdeckplatte 33, der vierten Abdeckplatte 35 und der ersten Abdeckplatte 27. der zweiten Abdeckplatte 29 und der fünften Abdeckplatte 39, der sechsten Abdeckplatte 4i und der Tragplatte 49 gelenkig angeschlossenen Gabeln 52. Die freien Enden der sechs Gabeln 52 jedes von jeweils drei benachbarten Gabelpaaren sind durch Bolzen 53 gelenkig miteinander verbunden, die eine Rolle 54 tragen.

Durch das Eigengewicht der Bohrlochsonde werden die Rollen 54 gegen die Wand 4 des Bohrloches 2 gedrückt und dadurch die Bohrlochsonde in der Meßposition selbsttätig zentriert Ein verlorener Zentrierboden 55. in dessen konzentrische Vertiefung der die Bohrlochsonde nach unten abschließende Zentrierbolzen 44 eingreift, trägt ebenfalls zur Zentrierung bei.

Die Innenelektroden 5.1 bis 53 sind an jeweils ein abgeschirmtes Kabel 6 angeschlossen. Die fünf Kabel 6 werden über einen Umschalter nacheinander auf der Spannung Uo des Sinusgenerators 7 geschaltet Die Außenelektroden 3.1 bis 33 werden vor dem Einfahren der Bohrlochsonde mit einer Positioniereinrichtung an vorbestimmten Stellen der Wand 4 des Bohrlochs 2 deponiert Die aus Federstahl bestehenden, als vorgespannte offene Ringe ausgebildeten Außenelektroden legensich fest an die Wand 4 an und ändern ihren Durchmesser, indem sie der Bohrlochkonvergenz folgen. Diese Konvergenz ist in F i g. 5 dargestellt durch einen Teilbereich mit dem Durchmesser 2 · η des Bohrloches 2. An die Außenelektroden 3.1 bis 33 sind Mantelthermoelementleitungen 8 angeschlossen, die über einen Umschalter auf den Spannungsmesser 9 schaltbar sind. Dabei wird die Signalspannung Us über den Metallmantel der Thermoelementleitung 8 übertragen. Gleichzeitig kann mit dem Thermoelement die Temperatur im Bereich der Außenelektrode gemessen werden. Die Thermoelementleitung 8 ist mit einem Mineralfaserschlauch elektrisch isoliert und zwischen der Wand 4 des Bohrloches 2 an der Außenelektrode 3 geführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen einer wärmeinduzierten Bohrlochkonvergenz, bei dem die Umgebung des Bohrloches mit einer vorbestimmten, konstanten Heizleistung mehrere Wochen lang erwärmt und die eingetretene Konvergenz in vorgegebenen zeitlichen Abständen gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung der Umgebung des Bohrloches und die Konvergenzmessungen mittels einer einzigen, dabei ständig am Aufheizort plazierten Sonde durchgeführt werden, wobei die Konvergenz des Bohrloches durch die entstehende Änderung des Elektrodenabstandes eines Meßkondensators kapazitiv ermittelt wird.

2. Bohrlochsonde zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Einrichtungen zum Erhitzen der Umgebung des Bohrloches und zum selbständigen Zentrieren der Sonde im Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde zusätzlich eine Einrichtung zum Messen des Durchmessers (2r) des Bohrloches (2) aufweist, die im wesentlichen aus einem Meßkondensator (3, 5) mit vom Durchmesser (2r) des Bohrloches (2) abhängiger Kapazität (C_M) gebildet ist.

3. Bohrlochsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (3, 5) aus einer ersten ringförmigen Innenelektrode (5) mit festem Durchmesser und einer zweiten ringförmigen, an der Wand des Bohrloches (2) anliegenden Außenelektrode (3) mit veränderbarem Durchmesser (2r) besteht, wobei die Außenelektrode (3) als vorgespannter offener Ring mit einander überlappenden Enden ausgebildet ist.

4. Bohrlochsonde nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20) aus einem rohrförmigen Wickelkörper (23) mit einer in dessen Außenseite eingebrachten, wendeiförmigen Nut (24) besteht, in die ein elektrisch iso- lierter Widerstandsdraht (25) eingelegt ist, daß durch mit dem Wickelkörper (23) verschraubte Distanzringe drei gleich große zylindrische Teilflächen gebildet sind, von denen jede Teilfläche mit einer wärmebeständigen elektrischen Isolierschicht abgedeckt ist, und daß eine erste bis dritte Innenelektrode (5.1 bis 5.3) des Meßkondensators (3,5) auf die Isolierschicht aufgesetzt sind.

5. Bohrlochsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Wickelkörper (23) der Heizeinrichtung an seiner unteren Stirnseite durch eine erste Abdeckplatte (27) mit einer zentralen Bohrung (28) und an seiner oberen Stirnseite durch eine zweite Abdeckplatte (29) mit einer zentralen Bohrung (30) und einem angesetzten Kupplungsrohr (31) abgeschlossen ist.

6. Bohrlochsonde nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein an seiner Außenseite elektrisch isolierter Tragkörper (32) als erster Elektrodenträger (21) eine vierte Innenelektrode (5.4) aufnimmt, wobei der Tragkörper (32) an seiner unteren Stirnseite durch eine dritte Abdeckplatte (33) mit einer zentralen Bohrung (34) und an seiner oberen Stirnseite durch eine vierte Abdeckplatte (35) mit einer zentralen Bohrung (36) und einem angesetzten Kupplungsrohr (37) verschlossen ist.

7. Bohrlochsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein an seiner Außenseite elektrisch isolierter rohrförmiger Tragkörper (38) als zweiter Elektrodenträger (22) eine fünfte Innenelektrode (5.5) aufnimmt, wobei der Tragkörper (38) an seiner unteren Stirnseite durch eine fünfte Abdeckplatte (39) mit zentraler Bohrung (40) und an seiner oberen Stirnseite durch eine sechste Abdeckplatte (41) mit zentraler Bohrung (42) abgeschlossen ist

8. Bohrlochsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Elektrodenträger (21) über sein Kupplungsrohr (37) axial verschiebbar mit der unteren Stirnseite der Heizeinrichtung (20) verbunden ist, und daß der zweite Elektrodenträger (22) über das Kupplungsrohr (31) der Heizeinrichtung

(20) axial verschiebbar an das obere Ende der Heizeinrichtung (20) angeschlossen ist.

9. Bohrlochsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die untere Stirnseite des ersten Elektrodenträgers

(21) eine Spannplatte (43) mit einem Zentrierbolzen (44) über einen Kupplungsboizen (45) axiai verschiebbar angeschlossen ist.

10. Bohrlochsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die obere Stirnseite des zweiten Elektrodenträgers

(22) über ein Kupplungsrohr (46) axial verschiebbar eine Transporteinrichtung (47) zum Einsetzen der Bohrlochsonde und eine Konvektionsbremse (48) zum Verschließen des Bohrloches mit einer Tragplatte (49) zum Festklemmen einer Mineralfaserplatte (50) angeschlossen sind.

11. Bohrlochsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste bis sechste Abdeckplatte (27, 29, 33, 35, 39, 41), die Spannplatte (43) für den Zentrierbolzen (44) und die Tragplatte (49) .nit jeweils drei um 120° gegeneinander versetzten Augen (51) zum Anschließen der Zentriereinrichtung versehen sind.

12. Bohrlochsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriereinrichtung im wesentlichen besteht aus sechs an die Augen (51) der in Achsrichtung benachbarten Spannplatte (43) und der dritten Abdeckplatte (33), der vierten Abdeckplatte (35) und der ersten Abdeckplatte (27), der zweiten Abdeckplatte (29) und der fünften Abdeckplatte (39), der sechsten Abdeckplatte (41) und der Tragplatte (49) gelenkig angeschlossenen Gabeln (52), daß die freien Enden von jeweils drei benachbarten Gabelpaaren durch Bolzen (53) gelenkig miteinander verbunden sind, und daß der Bolzen (53) eine Rolle (54) trägt.