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Hydraulischer Test

Hydraulische Tests sind Untersuchungsmethoden bzw. -verfahren, die in einem Bohrloch durchgeführt werden und mit denen hydraulische Parameter ermittelt werden können. Zu diesen Parametern zählen vor allem die Transmissivität und der Speicherkoeffizient. Aus der Transmissivität kann in einem homogenen, isotropen Aquifer bei Kenntnis der Aquifermächtigkeit H der Durchlässigkeitsbeiwert kf ermittelt werden.

Nachstehend wird eine Zusammenstellung der für Tiefbohrungen wichtigsten Testverfahren gegeben:

Hydrothermale Nutzungen aus Tiefbohrungen erfolgen fast ausschließlich aus Festgesteins-Grundwasserleitern. In diesen tiefen Aquiferen liegen grundsätzlich gespannte Grundwasser

  • Tests im offenen Bohrloch ohne oder mit Packer (Einfach- oder Doppelpacker)
  • Tests in ausgebauten Beobachtungsbohrungen

Hydraulische Tests sind grundsätzlich dann wenig aussagekräftig, wenn verschiedene geolo­gische Schichten oder Aquifere gemeinsam getestet werden und keine Differenzierung mög­lich ist. Durch den Einsatz von Packern, durch einen sachgerechten Ausbau von Bohrungen oder durch geeignete geophysikalische Bohrlochmessungen ist es möglich einzelne Hori­zonte oder Schichten separat hydraulisch zu testen, so dass sich die in Folge ermittelten hy­draulischen Parameter bestimmten Gebirgsabschnitten zuordnen lassen.

Hydraulische Tests, die in offenen Bohrlöchern ohne Packer durchgeführt werden, lassen Aussagen über die gesamte getestete Bohrlochstrecke zu.  Die ermittelten hydraulischen Parameter wie Durchlässigkeit, Permeabilität oder spezifischer Speicherkoeffizient sind nur dann für das Gebirge repräsentativ, wenn im Untergrund gleich­förmige Bedingungen vorliegen oder wenn durch zusätzliche Informationen, beispielsweise Flowmeter-, Leitfähigkeits- oder Temperatur-Logs, eine Gewichtung für einzelne Gebirgsab­schnitte vorgenommen werden kann.

Für hydraulische Tests in offenen Bohrlöchern mit Packer ist eine Testgarnitur notwendig, die aus einem Testgestänge mit Testventil und ein oder zwei Packern besteht. Ein Packer ist eine 0,5–1 m lange armierte Gummimanschette, die mechanisch oder hydraulisch-pneuma­tisch verformbar ist. Diese soll im eingebauten (verformten) Zustand das zu testende Intervall hydraulisch abdichten. Einfachpackertests werden häufig dann beim Abteufen einer Bohrung durchgeführt, wenn sich z. B. durch Zutritte von Formationswässern oder durch Spülungsverluste Wasserwegsam­keiten andeuten. Das Testgestänge mit einem einzelnen Packer wird in den gewünschten Bereich eingebaut und dichtet so das Testintervall zwischen Packer und Bohrlochsohle gegen den Ringraum über dem Packer ab.

Die Durchführung von Doppelpackertests erfolgt normalerweise nach dem Abteufen eines größeren Bohrlochabschnittes. Das Testgestänge ist hierfür mit zwei Packern ausgestattet, die ein Testintervall im Bohrloch von ca. 1,5–5 m gezielt isolieren und testen. Gemessen werden dabei Temperatur und Druck im Testintervall und je nach Testgarnitur auch ober- und unter­halb davon.

Bei Tests in ausgebauten Beobachtungsbohrungen ist die Verwendung von Packern nur dann sinnvoll, wenn die Packer im Bereich eingebauter Dichtungen hinter der Verrohrung installiert und somit durch eine hydraulische Isolation bestimmte Testintervalle separat un­tersucht werden können.

Testprinzipien

Das Testprinzip ist bei allen hydraulischen Tests in Bohrungen dasselbe: Der im Testintervall (bzw. Aquifer) gemessene Anfangsdruck dient als Referenzdruck bzw. Ruhewasserspiegel. Bei Packertests wird dieser Anfangsdruck nach dem Setzen des Packers gemessen. Während einer Ausgleichsperiode (so genannte Compliance-Periode) bauen sich in Tiefbohrungen exter­ne Störungen in der Regel ab (Ausnahme: Gezeiteneinwirkungen).

Im ersten Testschritt wird der Anfangsdruck im Testintervall durch Förderung oder Injekti­on von Wasser (in dichtem Gestein: Gas) künstlich verändert. Die Förderung (withdrawal) bewirkt eine Druckabsenkung, die Injektion (injection) eine Druckerhöhung. Im zweiten Testschritt wird die Förderung bzw. Injektion beendet und die Erholung des Drucks bis zum For­mationsdruck, dem ungestörten Gebirgsdruck, beobachtet. Anfangs- und Formationsdruck sollten gleich sein.

Der Testauswertung werden die zeitliche Veränderung der Fließraten und Druckhöhen zu Grunde gelegt (instationär). Je länger der hydraulische Test dauert, desto größer ist der vom Drucksignal erfasste Raum und die Chance, den in der Regel in unmittelbarer Umgebung um das Bohrloch gestörten Bereich (Skin) zu überwinden, da bohrlochnahe Bereiche mögli­cherweise durch das Bohren oder den Ausbau der Bohrung beeinträchtigt sind. Tests in groß­kalibrigen Bohrungen oder in Geringleitern werden zudem in der Anfangsphase stark von der Eigenkapazität der Bohrung (Brunnenspeicherung) geprägt. Allerdings werden Tests in Tiefbohrungen insbesondere bei der KW-Industrie aus Kostengründen so kurz wie möglich durchgeführt. Sind die einzelnen Testabschnitte oder die Testschritte zu kurz bemessen, so können keine Aussagen über weiter vom Bohrloch entfernte Bereiche, z. B. über die Aquifer­parameter (oder -grenzen), getroffen werden.

Die klassischen Pump- und Injektionsversuche, die bevorzugt in Thermalwasserbohrungen durchgeführt werden, zeichnen sich durch besonders lange Förder- bzw. Injektionszeiten aus und verfügen daher über eine sehr hohe Testgüte.

Wird anstelle des Basisdrucks der Wasserstand (oder ein Druck deutlich oberhalb des Testhorizonts) gemessen, so muss bei Tiefbohrungen der gemessene Wasserstand um die ther­mische Beeinflussung korrigiert werden. Da die Dichte von Wasser temperaturabhängig ist, haben gleichschwere Wassersäulen mit verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Län­gen. Zwar ist der Dichteunterschied an sich sehr gering, bei Wassersäulen von mehreren hun­dert Metern kann die Längendifferenz jedoch einige Meter betragen. Die Wassertemperatur in einer Bohrung passt sich im Ruhestand den jeweiligen Gesteinstemperaturen an. Bei Was­serentnahme aus der Bohrung strömt das warme Wasser aus den tieferen Bereichen rasch nach oben, was eine Erwärmung der gesamten Wassersäule zur Folge hat. Deshalb kann der Wasserspiegel zu Beginn eines Pumpversuchs aufgrund der temperaturbedingten Dichteänderung zunächst ansteigen anstatt abzusinken. Zur Auswertung muss die Absenkung bzw. die Länge der Wassersäule auf eine definierte Temperatur umgerechnet werden, was eine Dichtekorrektur der Wassersäule für jeden Messwert notwendig macht.

Testverfahren

Es existiert eine große Anzahl hydraulischer Testverfahren. Bei der Auswahl eines geeigneten Verfahrens spielt neben der Zielsetzung vor allem die zu erwartende Gesteinsdurchlässigkeit eine Rolle. Nach DVGW-Regelwerk W 111 (1997) ist ein Pumpversuch ein vergleichsweise aufwendiges, kontrollierbares Feldexperiment, bei dem aus einer oder mehreren Bohrung(en) Grundwas­ser entnommen wird. Ein Pumpversuch kann unter verschiedenen Testkonfigurationen durchgeführt werden. Ziel eines Pumpversuches ist es, die Leistung der (des) Brunnen(s) bzw. die mögliche Förderleistung aus dem Testintervall im Bohrloch, die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters und der angren­zenden Gesteine in situ sowie die Beschaffenheit des Grundwassers zu bestimmen. Bei der Auswertung von Pumpversuchen kann der Ein­fluss einer begrenzten Anzahl ex­akt definierter Randbedingungen berücksichtigt werden.

Ein Injektionstest stellt im Prinzip einen umgekehrten Pumpversuch dar, bei dem statt Wasser entnom­men, Wasser in das Gebirge eingebracht wird.

Tests mit konstanter Fließrate oder mit konstantem Druck sind jeweils eine spezielle Art eines Pumpver­suches bzw. Injektionstests. Die weitaus umfangreichsten Informa­tionen können allerdings aus Tests mit konstanter Rate (Aquifertest) gewonnen werden , da in diesem Fall sehr viele verschiedene Auswerteverfahren in Abhängigkeit vom zugrunde zu legenden Strömungsmodell existie­ren (Typkurvenverfahren, analytische und numerische Auswerteverfahren, Näherungslösungen).

Technologiebaum hydraulische Tests

Slug-Test

Der Slug-Test wird bei geringen bis mittleren Gesteinsdurchlässigkeiten angewendet. Er dient der Ermittlung der Transmissivität, aus der sich die Permeabilität und der Durchlässigkeitsbeiwert ableiten lassen, sowie der Ermittlung des Speicherkoeffizienten und des Skin-Faktors.

Bei diesem hydraulischen Test wird der Druck im Bohrloch oder Testintervall plötzlich verändert und der anschließende Druckaufbau oder Druckabbau gemessen. Wenn das Testventil geöffnet wird, über­trägt sich die Druckveränderung schlagartig auf das Testintervall. In der anschließenden Fließphase er­folgt ein Druckausgleich, indem je nach Druckgefälle Wasser aus dem Gebirge zufließt (Slug-Withdrawal-Test) oder ins Gebirge abfließt.

Slug/Bail-Test

Das Prinzip des Slug/Bail-Tests be­ruht wie beim Slug-Test auf einer schlagartigen Veränderung des Drucks. Im Gegensatz zu diesem geschieht dies nicht durch die Zu­gabe oder Entnahme von Wasser, sondern durch das Eintauchen und Bergen eines Verdrängungskörpers. Zur Auswertung können z. B. die Typkurvenverfahren von Hvorslev (1951), herangezogen werden. Dane­ben existieren numerische Auswerteverfahren.

Pulse-Test

Der Pulse-Test, bei dem Permeabilität, Speicherkoeffizient und Skin-Faktor ermittelt werden, kommt bei sehr geringen bis geringen Gebirgsdurchlässigkeiten zum Einsatz. Durch entspre­chenden Packereinsatz kann er zur Untersuchung von Durchlässigkeiten einzelner Gebirgsab­schnitte genutzt werden. Beim Pulse-Test wird wie beim Slug-Test (mit der gleichen Testaus­rüstung) eine Druckveränderung im Testintervall hervorgerufen. Das Testventil wird dabei nur für einen kurzen Zeitraum geöffnet und danach sofort wieder verschlossen. Anschlie­ßend wird der Druckausgleich bis zum Formationsdruck im Testintervall gemessen.

Gestängetest oder Drill-Stem-Test (DST)

Durch den Drill-Stem-Test (DST) können die Permeabilität, die Brunnenspeicherung und der Skin-Faktor ermittelt werden. Der Name Drill-Stem-Test leitet sich von der englischen Bezeichnung für Bohrstrang „Drill Stem“ ab.

Der Test gliedert sich der DST in eine erste kurze Fließphase, eine erste Schließphase, eine zweite lange Fließphase und eine zweite lan­ge Schließphase. Durch das Öffnen des Ventils wird ein Unterdruck im Testabschnitt und ein Zuflie­ßen in das Bohrloch erreicht. In der Schließphase (Ventil geschlossen) kommt es zum Druckaufbau mög­lichst bis zum Formationsdruck. Anschließend wird das Ventil für eine längere Fließphase wieder geöffnet und der Prozess beginnt von neuem. Mittels Druckmessgeräten wird der entsprechende Fließ- und Schließdruck über einen längeren Zeitraum gemessen. Da sich auftre­tende Temperaturschwankungen im Test stark auf den Druckverlauf auswirken können, ist es für die Korrektur im Hinblick auf die Auswertung notwendig, ne­ben dem Druck auch die Temperatur aufzuzeichnen. Der Zeitaufwand beim DST ist von der Durchlässigkeit und Standfestigkeit des Gebirges abhängig.

Wird der stationäre Fließzustand erreicht, kann für die Auswertung z. B. das Geradlinienver­fahren von Horner (1951) herangezogen werden; für die instationäre Auswertung der Druckverläufe eignet sich z. B. das Typkurvenverfahren von Gringarten et al. (1979). Darüber hi­naus existieren für eine Vielzahl möglicher Untergrundmodelle Musterkurven. Außerdem werden numerische Verfahren für die Auswertung eingesetzt.

Interferenztest

Für einen Interferenztest sind mehrere Beobachtungsbohrungen nötig, da auf diese Weise der hydraulische Kontakt zwischen unterschiedlichen Bohrungen, die Reichweite und Form des Absenkungstrichters sowie die Transmissivitätsverteilung im Umfeld der Bohrung be­stimmt werden kann.

Literatur

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Kümpel, H.-J., Erzinger, J., & Shapiro, S.: Two Massive Hydraulic Tests Completed in Deep KTB Pilot Hole.. Nummer 3 (2006), S. 40-42

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Savvatis, A.: Quantifizierung physikalisch-technischer Kennwerte und Normierung von Pumpversuchsdaten aus Tiefengrundwasserleitern zur Berechnung hydraulischer Parameter. München : Ludwig-Maximilians-Universität, 2007 

Weitere Literatur siehe unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.

zuletzt bearbeitet Januar 2020