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Technical Report NTB 87-03
Design of a single borehole hydraulic test programme allowing for interpretation-based error
Hydraulische Versuche mit Packern in Einzelbohrlöchern (Packer-Tests) bilden eine der wichtigsten Datenquellen für die Sicherheitsanalyse der Endlagerung radioaktiver Abfälle. Hydraulische Packer-Versuche sind sehr zeitraubend und aufwendig. Deshalb ist es von grosser Bedeutung, dass die Resultate so verlässlich wie möglich und dabei so präzise wie notwendig sind. Auftretende Fehler und Ungenauigkeiten können viele Ursachen haben, z. B. unsorgfältige Versuchsdurchführung im Feld oder die Anwendung ungeeigneter Interpretationsverfahren. In diesem Bericht wird untersucht, welches Ausmass Fehler annehmen können, wenn ein ungeeignetes oder unzureichendes Interpretationsverfahren verwendet wird. Es wird gezeigt, welches der Verfahren, bzw. welche Verfahrenskombination mit den geringsten Fehlern behaftet ist. Basierend darauf, werden Prozeduren für Feldversuche vorgeschlagen, welche die Fehler minimieren, die durch die Interpretation entstehen.
Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Arten von hydraulischen Packer-Tests: Pumpversuche mit konstanter Förderrate, mit konstantem Druckspiegel und «Slug/Pulse»-Tests. Diese Tests haben unterschiedliche Eigenschaften: die einen messen ein variables Gesteinsvolumen bei einer vorgegebenen Testdauer, während bei den anderen das Volumen durch die Konfiguration gegeben ist, die Dauer jedoch variabel ist (eine Funktion der Durchlässigkeit). Es zeigt sich, dass es wünschenswert ist, immer eine Kombination von verschiedenen Tests durchzuführen. In allen Fällen wurde die gleiche Methode zur Beurteilung der Fehler angewendet. Die Methode setzt voraus, dass in allen Fällen das einfachste Analysenverfahren (zylindrische Strömung in einem homogenen, porösen Gestein unterstellt) auf die Feld-Datensätze angewendet wird. Zur Abschätzung des Fehlers werden synthetische Daten für alternative Konfigurationen erzeugt (z. B. für geklüftetes, anisotropes oder inhomogenes – d. h. mit Belag von Filterkuchen – Gestein), die anschliessend mit dem einfachsten Verfahren analysiert werden. Der Fehler ergibt sich durch den Vergleich der gemessenen Werte mit denjenigen, welche den synthetischen Daten zugrunde gelegt wurden. Das Hauptinteresse liegt in Werten für die hydraulische Leitfähigkeit (K), während der Speicherkoeffizient (Ss) nur untergeordnet und für das allgemeine Verständnis von Interesse ist. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die synthetischen Daten auf die Eindeutigkeit des Interpretationsverfahrens hin untersucht werden können.
Die häufigsten Fehlerursachen bei der Analyse von «Slug/Pulse»-Tests sind die Vernachlässigung des «Skin»-(d. h. Filterkuchen-)-Effekts, nichtzylindrischer Strömung (inkl. hydraulischer Kurzschluss durch Packer-Umströmung) und die Vernachlässigung von Klüften. Es zeigt sich, dass der «Skin»-Effekt den abgeleiteten K-Wert dann stark beeinflusst, wenn entweder der effektive Radius (re = der Radius einer imaginären, inkompressiblen Röhre, in der sich der Wasserspiegel während des Versuchs frei bewegen kann) klein ist, d. h. kleiner als 0.5 mm, wenn der Filterkuchen dicker als 10 mm ist, oder wenn das Verhältnis der KWerte von Filterkuchen zu Gestein grösser als 100 ist. Es zeigt sich auch, dass "Skin"-Effekte nur dann eindeutig als solche identifiziert werden können, wenn der Versuch so ausgelegt wird, dass die Druck-Reaktion in einem Übergangsbereich zwischen dem Fall des reinen Filterkuchens und dem des reinen Gesteins liegt. Nicht-zylindrische Strömung führt nur dann zu signifikanten Fehlern, wenn das Produkt aus Bohrlochradius und der Komponente des K-Wertes in Bohrloch-Richtung grösser ist als das Produkt aus der Länge der getesteten Zone und der Komponente des K-Wertes senkrecht zur Bohrloch-Richtung. Nichtberücksichtigung der Gesteinsklüftung führt maximal zu einem Fehler von einem Faktor 2 in den abgeleiteten K-Werten, aber immer zu einer Überschätzung. Die Kurven aus Versuchen an geklüftetem Gestein haben keine charakteristische Gestalt, ergeben aber typischerweise niedrige spezifische Speicherkoeffizienten.
Hauptsächlich vorstellbare Fehlerquellen bei Pumpversuchen mit konstantem Fluss / konstantem Druckspiegel in Einzelbohrlöchern sind «Skin»-Effekte, Brunnenentleerung (weIl-bore storage), Klüftung und nicht-zylindrische Strömung. Der vom «Skin»-Effekt herrührende Fehler hängt vom Analysenverfahren ab. Pseudostationäre Verfahren, wie die von Hvorslev (1951) oder Moye (1967) sind eher fehleranfällig, während instationäre Methoden theoretisch zuverlässig sind. Sie sind aber nur dann zuverlässig, wenn der Zeitabschnitt des Einflusses der Brunnenentleerung richtig bestimmt wurde. Der Einfluss der Klüftung und der nicht-zylindrischen Strömung wurde bereits von anderen Autoren untersucht (vgl. Braester und Thunvik, 1984) und als signifikant angesehen.
Es wurde untersucht, ob Pumpversuche besser mit konstanter Fördermenge oder besser mit konstantem Druckspiegel gefahren werden. Es zeigte sich, dass die zuverlässigste Methode der Pumpversuchsauslegung und -interpretation auf einer Kombination der Auswertung von Absenkung und Wiederanstieg basiert. Die besten Resultate werden erzielt, wenn versucht wird, bei konstantem Fluss den Druckspiegel möglichst ebenfalls konstant zu halten.
Der Einfluss der Versuchsdauer auf beide Arten – «Slug»-Test und konstante Pumprate – wurde untersucht und eine Abhängigkeit von der Transmissivität (Produkt aus dem K-Wert des Gesteins und der Länge der untersuchten Zone) festgestellt. Die Festlegung der Versuchsdauer basiert auf der Messung der Erholungszeit des Druckes nach einer Periode induzierter Druckänderung.
Der Bericht behandelt darüberhinaus weitere Aspekte zur Planung von Pumpversuchen, z. B. in heterogenen Formationen mit Kalklinsen, den Einsatz der «Gradienten-Methode» bei der Auswertung von «Slug/Pulse»-Tests und die Wechselwirkung zwischen Anforderungen an die Daten und Praxis der Versuchsdurchführung im Feld. Der Bericht empfiehlt eine Form der Versuchsdurchführung, bestehend aus einem Puls-Test gefolgt von einem Pumpversuch mit konstanter Förderrate, wobei anschliessend der Wiederanstieg beobachtet wird. Diese Form sollte die besten Grundlagen zur Identifikation möglicher Fehlerursachen liefern und eine weitgehend fehlerfreie Interpretation bei Wahrung der vorgeschlagenen Versuchsbedingungen ermöglichen.