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Technical Report NTB 87-21
Analysis of long-term pressure recovery data from the Böttstein, Weiach, Riniken and Leuggern boreholes
Der vorliegende Bericht präsentiert eine Zusammenfassung der Auswertungsresultate der hydraulischen Durchlässigkeit, des Formationswasserdruckes und der Druckspiegelhöhe der Langzeit-Beobachtung der Tiefengrundwässer in den Bohrungen Böttstein, Weiach, Riniken und Leuggern. Die Auswertungen basieren auf den Messdaten seit Inbetriebnahme der Multipackersysteme bis zum 1. September 1987. Insgesamt sind 22 Testzonen ausgewertet worden, von denen sich 12 in Kristallinstrecken befinden. Für 20 Zonen konnten der Formationswasserdruck und die äquivalente Süsswasser-Druckspiegelhöhe bestimmt werden. In der Form des 95 % Konfidenz-Intervalls wird ebenfalls das geschätzte Ausmass der auf Messungenauigkeiten zurückzuführenden Unsicherheiten in der Bestimmung der Druckspiegelhöhe mitgeteilt. Für 7 Zonen konnten repräsentative hydraulische Durchlässigkeitsbeiwerte bestimmt werden.
Die Bohrung Böttstein wurde zwischen Oktober 1982 und Juni 1983 abgeteuft. Die Beobachtungsphase begann im Januar 1984 mit dem Einbau des aus acht Packern und acht Beobachtungsintervallen bestehenden Multipacker-Systems. Die oberste Zone (Zone 1) weist einen durch eine Casing-Perforation geschaffenen Zugang zum Buntsandstein auf. Die restlichen sieben Zonen im unverrohrten Bohrloch stehen in verschiedener Tiefe in Verbindung zur Kristallinstrecke. An die Beobachtungsleitungen der Zonen 2, 3, 5, 6, 7 und 8 sowie an die Steigleitung der Zone 4 sind Manometer angeschlossen. Die am Bohrkopf gemessenen artesischen Manometerschliessdrücke nehmen von 170 kPa in Zone 1 auf 740 kPa in Zone 8 zu. Bezogen auf das Zentrum der einzelnen Beobachtungszonen nimmt der Formationswasserdruck mit der Tiefe von 3344 kPa auf 14597 kPa zu. Die Druckspiegelhöhe liegt zwischen 364.4 und 416.5 m ü.M. und befindet sich durchwegs über der Ackersohle (347.46 m ü.M.). Die Standardabweichung der Druckspiegelhöhen ist stark von der Unsicherheit der Temperatur im Bohrloch abhängig und nimmt generell mit der Tiefe zu. In Böttstein liegt sie zwischen 0.19 m (Zone 2) und 0.44 m (Zone 8). Repräsentative hydraulische Durchlässigkeitsbeiwerte konnten für die Zonen 2, 3, 4, 5 und 7 bestimmt werden; sie liegen zwischen 2.0 × 10-14 m/s und 3.0 × 10-7 m/s.
Die Bohrung Weiach wurde vom Januar 1983 bis November 1983 abgeteuft. Die Beobachtungsphase begann im April 1985 mit der Installation des aus sechs Packern und sieben Beobachtungszonen aufgebauten Multipacker-Systems. Die Zonen 1 und 2 weisen durch Casing-Perforation geschaffene Zugänge zum Muschelkalk bzw. Buntsandstein auf, die Zonen 3 und 4 zum Ober- und Unterrotliegenden. Die Zonen 5, 6 und 7 liegen in der unverrohrten Kristallinstrecke. Die Beobachtungsleitungen der Zonen 2, 3, 5, 6 und 7 sind mit Manometern versehen. Die Zone 4 wird mit einem auf der Steigleitung angebrachten Manometer gemessen. Die Beobachtung der Zone 1 erfolgt in einem in den Ringraum zwischen dem Bohrkopf und dem obersten Packer führenden Beobachtungsrohr. Der Formationswasserdruck wurde für die Zonen 1, 3, 3, 5, 6 und 7 abgeschätzt. An der Oberfläche betragen die Drücke zwischen 455 kPa und 850 kPa; der auf das Zentrum der Beobachtungszonen bezogene Formationswasserdruck liegt zwischen 7970 kPa bis 23270 kPa. Die äquivalenten Süsswasser-Druckspiegelhöhen liegen in einem Bereich von 344.0 bis 452.2 m ü.M. Einzig der niedrigste Wert, die Druckspiegelhöhe der Zone 1, liegt unterhalb der Ackersohle von 368.66 m ü.M. Die Standardabweichung der Druckspiegelhöhen ist die grösste aller 4 Bohrungen. Sie nimmt mit der Tiefe von 0.48 m für die Zone 1 bis 2.60 m für die Zone 7 zu. Für die Zonen 2 und 3 konnten repräsentative hydraulische Durchlässigkeitsbeiwerte bestimmt werden; Sie betragen 3.0 × 10-10 m/s und 2.0 × 10-12 m/s.
Die Bohrung Riniken wurde vom Juni 1983 bis Januar 1984 gebohrt. Die Beobachtungsphase begann im Juli 1985 mit dem Einbau des aus fünf Packern und fünf Beobachtungszonen bestehenden Multipacker-Systems. Die fünf Zonen weisen Zugänge zum Schilfsandstein, Muschelkalk, Buntsandstein und zu zwei Abschnitten im Rotliegenden auf. In den obersten vier Zonen wurde das Casing perforiert, die unterste Zone ist nicht verrohrt. Die Beobachtungsleitung der Zone 1 ist mit einem Manometer versehen, während der Wasserspiegel der übrigen vier Zonen mit einem Lichtlot gemessen wird. Der Manometerschliessdruck der Schilfsandsteinzone beträgt 745 kPa. Die aus den Druck- und Wasserspiegelmessungen berechneten Formationswasserdrücke im Zentrum der Beobachtungszonen liegen zwischen 5867 kPa und 16558 kPa. Die Süsswasser-Druckspiegelhöhen variieren zwischen 353.5 m und 459.7 m ü.M. Einzig der höchste Wert, die Druckspiegelhöhe der Zone 1, befindet sich über der Ackersohle, 385.07 m ü.M. Die Standardabweichung der Druckspiegelhöhen liegt zwischen 0.20 m (Zone 2) und 0.90 m (Zone 5). Für keine der Beobachtungszonen konnte ein repräsentativer hydraulischer Durchlässigkeitsbeiwert ermittelt werden.
Die Bohrung Leuggern wurde zwischen Juni 1984 und Februar 1985 abgeteuft. Die Beobachtungsphase begann im Mai 1985 mit der Installation von zwei Packern (bridge plugs) und eines PIP-Packers, mit denen drei Zonen in der unverrohrten Kristallinstrecke abgetrennt wurden. Die Zonen 1 und 2 werden mit an der Terrainoberfläche angeordneten Manometern beobachtet. Die Messdaten der Zone 3 waren zum Zeitpunkt der Auswertung nicht verfügbar. Dem Wasserdruck von 52 kPa bzw. 80 kPa der Zonen 1 und 2 an der Terrainoberfläche entspricht ein Formationswasserdruck im Zentrum des Beobachtungsintervalls von 8257 kPa bzw. 12231 kPa. Die entsprechenden Süsswasser-Druckspiegelhöhen betragen 363.1 und 364.7 m ü.M. und liegen beide über der Ackersohle (358.8 m ü.M.). Die Standardabweichung der Druckspiegelhöhe beträgt 0.41 m für die Zone 1 und 0.95 m für die Zone 2. Die für die Zonen 1 und 2 ermittelten hydraulischen Durchlässigkeitsbeiwerte werden als nicht repräsentativ betrachtet und sind nicht aufgeführt.
Die auf Messungenauigkeiten zurückzuführende Unsicherheit in der Bestimmung der Druckspiegelhöhen wird als 95 %-Konfidenz-Intervall (± doppelte Standardabweichung) angegeben. Die Zone 2 der Bohrung Böttstein weist mit ± 0.37 m die geringste, die Zone 7 der Bohrung Weiach mit ± 5.20 m die grösste Ungenauigkeit in der Bestimmung der Druckspiegelhöhe auf. Die wichtigste Ursache für die Unsicherheit liegt in der Ungewissheit über die wahre Dichte der Flüssigkeitskolonne, d. h. der Flüssigkeit in der Druckübertragungsleitung. Der Formationswasserdruck im Zentrum einer Zone wird aus den Druckablesungen an der Terrainoberfläche und der mittleren Dichte der Flüssigkeitskolonne berechnet. Letztere wird erhalten durch die Integration der tiefenabhängigen, von Temperatur, Druck und Salinität beeinflussten Dichteverteilung der Flüssigkeitskolonne im Beobachtungssystem zwischen der Terrainoberfläche und dem Zentrum der Beobachtungszone. Unter Annahme einer mittleren Wasserdichte von 1000 kg/m3 wird aus dem Formationswasserdruck die sogenannte Süsswasser-Druckspiegelhöhe berechnet. Unsicherheit in der Kenntnis der Salinität trägt zu Ungewissheiten in der Dichteverteilung der Bohrflüssigkeit von drei der vier Bohrungen bei. Der Hauptgrund der Unsicherheit über die Dichte der Flüssigkeitskolonne liegt jedoch in den Ungewissheiten über deren Temperatur. Dies trifft insbesondere für die Bohrung Weiach zu, wo die angenommene Ungewissheit von ± 4°C für die Temperatur eine Unsicherheit in der Bestimmung der Druckspiegelhöhe von ± 4.5 m zur Folge hat.