Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern in Flüssigkeitsentnahmebohrungen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern in Flüssigkeitsentnahmebohrungen, bei welcher die Reinigung von kolmatierenden Ablagerungen dadurch erfolgt, daß im Hohlraum des Bohrlochzylinders Druckimpulse durch Explosion eines Wasserstoff-Sauerstoff- Gasgemischs erzeugt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern in Flüssigkeitsentnahmebohrungen.

[0002] Zur Reinigung von Bohrlochfiltern von kolmatierenden Ablagerungen, sowie Lehmen und Tonen sind Verfahren bekannt, bei denen dasselbe mit Wasser oder Luft gespühlt wird, eine Reinigung mittels Ultraschall, chemisch, elektrolytisch oder elektromechanisch erfolgt.
Allen diesen bekannten Verfahren haftet der Nachteil an, daß sie aufwendig sind und nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen.

[0003] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden, den verfahrens- und vorrichtungstechnischen Aufwand zu verringern und die Effektivität zu erhöhen.

[0004] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Hohlraum des Bohrlochfilters Druckimpulse durch Zündung und Explosion eines Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches unter Anwendung der bekannten Verbrennungs- und Detonationsverfahrens ausgelöst werden. Das Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisch wird durch Elektrolyse im zu behandelnden Abschnitt des Filters unmittelbar vor der Explosion gewonnen. Dadurch werden sicherheitstechnische Forderungen und die Vereinfachung der verfahrensspezifischen Ausrüstung realisiert.
Um die Effektivität der Extraktion der zerstörten kolmatierenden Ablagerungen zu erhöhen, wird in die Explosionprodukte feinzerstäubtes Wasser zum Zeitpunkt ihres Einsturzes eingesprüht.
Explosionsprodukte des Wasserstoff- Sauerstoff- Gemisches sind überhitzte Wasserdämpfe, die sich bei ihrer Ausdehnung teilweise abkühlen und anschließend unter der Wirkung des hydrostatischen Druckes zurückfluten und bis zur vollständigen Abkühlung und Kondensation eine Reihe von Pulsationen ausführen.

[0005] Um die Wirkung der Druckimpulse zu konzentrieren, wird die Explosionszone des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches von oben und unten durch Gummimanschetten begrenzt und mit einer mechanischen Reinigung kombiniert.

[0006] Der technologische Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltet sich wie folgt:

• mechanische Reinigung der Innenfläche des Filters mittels Bewegung der Vorrichtung entlang des Filters
• Begrenzung des Bearbeitungsbereiches durch Gummimanschetten
• Zuführung eines Reagens bekannter Art in die Explosionskammer
• Durchführung der Elektrolyse in der KOH- Lösung
• Zuführung der gasförmigen Elektrolyseprodukte in die Explosionskammer
• Abscheidung des erforderlichen Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches in der Explosionskammer
• Entzünden des Gasgemisches im Verbrennungs- und Detonationsregime
• Einspritzen feinzerstäubten Wassers im Stadium des Einsturzes der Explosionsprodukte
• Bewegen der Vorrichtung zu einem neuen Bearbeitungsintervall

Zwecks Erzielung einer kombinierten Impuls- Reagens- Wirkung wird in die Explosionszone des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches ein Reagens zugeführt.

[0007] Die Vorteile des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber Verfahren, welche den Stand der Technik darstellen, bestehen

• in der Möglichkeit der Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff unmittelbar im Bereich des zu behandelnden Filters
• in der ökologischen Unbedenklichkeit des Verfahrens, da die Explosionsprodukte des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches sich bei ihrer Kondensierung in Wasser umwandeln
• in dem für mit diesem Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitenden Menschen ungefährlichen Stromspannungen, die bei der Elektrolyse des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches erforderlich sind
• im Charakter der Reaktion des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches bei seiner Zündung, welche einer Explosion und nachfolgenden Implosion dieses Gemisches entspricht
• in der Kombination der Reaktion des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches mit einer Reagenswirkung, die die Kontaktfläche des Kolmatanten mit dem Reagens erhöht und die Lösung der Ablagerungen verstärkt. Zur Verwendung kommt ein Reagens bekannter Art, welches zum Beispiel bei der Wasserentnahme für Trinkwasser geeignet ist.

[0008] Die Reaktion des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches verläuft als Verbrennung und Detonation.
Ausgangsstoff für die Elektrolyse des Wassers ist eine 20-30 % konzentrierte alkalische KOH- Lösung. Wird eine Gleichspannung auf in die Lösung getauchte Elektroden gelegt, zerfällt das Wasser unter der Wirkung des elektrischen Stromes in Wasserstoff und Sauerstoff:



        2H₂O ⇔ 2H₂+O₂



Die normale Verbrennungsgeschwindigkeit des Gasgemisches 2H₂O₂ beträgt 34 m/s.
Für eine Näherungsberechnung des Verbrennungsdruckes in einem geschlossenen Raum wird die Formel





verwendet, wobei

p_a-

Druck in der Implosionskammer

V_o-

Volumen der gasförmigen Reaktionsprodukte unter Normalbedingung

V₁ -

von der Gasmischung eingenommenes Volumen

T₀-

Gastemperatur

T₁ -

erreichbare Verbrennungstemperatur (ca. 4000 °C)

   sind.

[0009] Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren an einem Beispiel erläutert werden.

[0010] Bei Einsetzen eines Wertes von V₀ = 1244 dm³/kg und V₁ = 1860 dm³/kg ist ein Verbrennungsdruck des Gasgemisches in der geschlossenen Implosionskammer unter Normalbedingungen von 1MPa zu erzielen. Daraus resultierend ist der Verbrennungsdruck p_a ≈ 10 p_abs, wobei p_abs der absolute Druck des Gemisches vor der Explosion ist. Erfolgt die Explosion des Gemisches in einer geschlossenen Explosionskammer in der Tiefe h unter der Wasseroberfläche, so ist

, wobei ϑ die Wasserdichte ist, und g die Geschwindigkeit des freien Falls. In diesem Fall ist der Verbrennungsdruck in der Arbeitskammer in der Tiefe h





Somit ist in der Tiefe h = 10 m der Druck p_g ≈ 2 MPa, bei h=20 m ist der Druck p_g ≈ 3 Mpa usw.

[0011] Die Verbrennungsreaktion des Wasserstoffes wird für die Mischung 2H₂+2O₂ durch die Gleichung



        2H₂ + 2O₂ = 2H₂O + 115 kcal



beschrieben.

[0012] Aus der Gleichung folgt, daß beim Verbrennen von 1 dm³ Gasgemisch unter Normalbedingungen 7,1 kJ Energie freigesetzt werden. Die Verbrennung kann durch glühenden Draht sowie Funken ausgelöst werden.

[0013] Die Verbrennung läßt sich zum Regenerieren von Bohrlochfiltern einsetzen, die durch lockere kolmatierende Ablagerungen verschlämmt sind, die eine geringe Festigkeit aufweisen. Die Explosion des Wasserstoffs im Detonationsverfahren erfolgt nach der Reaktionsgleichung:



        2H₂+2O₂ = 1,54 H₂O+0,33 H₂ + 0,23 O₂ + 0,26 H +75 kcal



Gemäß der Reaktionsgleichung werden bei der Detonation von 1dm³ des Gemisches 2H₂+2O₂ (unter Normalbedingungen) 4,64 kJ Energie freigesetzt. Bei der Detonation entsteht eine Druckwelle, die im Wasser gebrochen wird und den Filter erreichen kann. Der Druck der gebrochenen Welle p_ud ist annähernd gleich

.

[0014] Trotz der beträchtlichen Amplitude ist die Druckwelle sehr kurzzeitig und überträgt einen geringen Teil der Explosionsenergie. Den Hauptteil der Gesamtenergie der Explosion bildet die kinetische Energie der Flüssigkeit, die die kolmatierenden Ablagerungen zerstört und wegschwemmt. Die Detonation läßt sich für die Arbeit in Bohrlöchern einsetzen, die durch feste konglomeratförmige Ablagerungen kolmatiert sind.

[0015] Die bekannten Vorrichtungen zur Reinigung von Bohrlochfiltern von kolmatierenden Ablagerungen, sowie Lehmen und Tonen entsprechen jeweils ihren vorgenannten bekannten Verfahren, und unterscheiden sich deshalb grundlegend von der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so daß eine Abgrenzung vom Stand der Technik durch die Neuartigkeit des Verfahrens gegeben ist.

[0016] Die Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern besteht aus einem zylindrischen dielektrischen Gehäuse, in dessen oberem Teil sich eine Explosionskammer befindet. Am oberen Ende diese Gehäuses ist ein Zylinder mit gleicher Längsachse, aber kleinerem Durchmesser mit dem Gehäuse fest verbunden. In diesem Teil der Vorrichtung ist eine Zündeinrichtung angebracht welche vorzugsweise eine Zündkerze ist. In der oberen horizontalen Wandung der Explosionskammer, mündet die Zuführung der Reagens. Die untere Begrenzung der Explosionskammer wird durch einen kegelförmigen Reflektor gebildet, wobei die Kegelspitze aufwärts gerichtet ist. In Höhe des Reflektors sind in der Außenwand der Vorrichtung Auslaßschlitze angebracht. Unterhalb des Reflektors befindet sich der Gasgenerator der Vorrichtung. Der Gasgenerator ist mit der Explosionskammer durch eine zusätzliche Kammer verbunden.

[0017] Durch ein Sicherheitsventil tritt das in dem Gasgenerator erzeugte Explosionsgemisch in diese Kammer. Ein auf dem Reflektor starr befestigter Kegel ist mittels eines sich unter dem Kegel befindlichen Balges mit einem weiteren beweglichen Kegel verbunden. Dieser Kegel weist zusätzliche Wasseransaugdüsen auf. Mittig in dem Gasgenerator befindet sich ein dielektrischer Mittelstab. An diesem Mittelstab sind ringförmig schräggestellte elliptische Elektroden angebracht, welche innerhalb des Vorrichtungsgehäuses extra ummantelt sind. Zwischen diesem Mantel und den Elektroden sind schmale Durchführungen angeordnet. Ober- und unterhalb der Explosionskammer befinden sich an der äußeren Wandung des Gehäuses Gummimanschetten, am unteren Ende der äußeren Wandung des Gehäuses sind rings um den Durchmesser Bürsten angebracht. Das untere Ende des Gehäuses wird durch eine Bodenplatte verschlossen ,in welcher eine Auslaßöffnung angebracht ist.

[0018] Im Folgenden soll die Vorrichtung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bohrloch; Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt.
Mittels der Hebevorrichtung 4 (Fig. 1) wird die Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern 1 über die Führungsrolle 5 am Kabel so in den Bereich des zu bearbeitenden Filters hinabgelassen, daß die Vorrichtung dabei schon mehrere Auf- und Abwärtsbewegungen entlang der gesamten Filteroberfläche macht, wodurch eine teilweise mechanische Reinigung der inneren Filteroberfläche durch die Bürsten 32 erreicht wird (Fig. 2). Über die Leitungen 34 und 35 wird eine Gleichspannung zu den Elektroden 27 der Vorrichtung geleitet. Das Reagens gelangt durch den Schlauch 33 in die Explosionskammer 8 und verbreitet sich teilweise durch die Auslaßschlitze 9 in die filternahe Zone. Nachdem der Gasgenerator 14 mit alkalischer Lösung gefüllt ist, beginnt die Elektrolyse. Die zwischen den Elektroden 27 entstehenden Zerfallsprodukte Kohlenstoff und Wasserstoff gelangen durch die Durchführung 28 zwischen Elektroden 27 und zylindrischem Mantel 29 zu dem Überströmventil 17. Bei genügendem Druck öffnet dieses Ventil und die Gasmischung gelangt durch die Kammer 16 in die Explosionskammer 8. Nach Erreichen eine bestimmten Gasvolumens in der Explosionskammer 8 wird das Gasgemisch mittels der Zündeinrichtung 11 und 12 zur Explosion gebracht.

[0019] Die dabei entstehende Druckwelle wird vom Reflektor 7 reflektiert und zum Filter geleitet. Dabei wirkt die strömende Flüssigkeit auf den beweglichen Kegel 20 und verschiebt ihn nach unten. Dabei wird der vom unbeweglichen Kegel 18 gehaltene Balg 19 auseinandergezogen. Durch die Düsen 21 wird dabei eine zusätzliche Wassermenge gezogen. Nach der Ausdehnung der Explosionsprodukte stürzen diese ein, was einen starken Unterdruck im Filterbereich hervorruft. Dadurch schiebt sich der bewegliche Kegel 20 nach oben und drückt dabei den Balg 19 zusammen. Der Balg 19 wirkt dergestalt auf die sich in ihm befindliche Flüssigkeit, daß sie in feinzerstäubter Form durch die Düsen 21 in die Explosionsprodukte ausgestoßen werden. Das Auftreten von Wasserstaub in den Explosionsprodukten beschleunigt ihre Kondensation und sichert die Vergrößerung der zweiten Druckspitze, sowie des Vakuums beim Einsturz.
Da sich vor dem Entzünden im Filterhohlraum das Reagens befand, wird der Kolmantant einer Impuls- Reagens- Wirkung ausgesetzt. Nach jedem neuen Impuls wird die Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern zu einem neuem Behandlungsintervall vorgerückt.

Aufstellung der Bezugszeichen

[0020] 

1

Vorrichtung zur Reinigung von Bohrlochfiltern

2

Gleichspannungsquelle

3

Bedienpult

4

Hebevorrichtung

5

Führungsrolle

6

Gefäß mit Reagens

7

Reflektor

8

Explosionskammer

9

Auslaßschlitze

10

Detonationszünder

11

Zündkerze

12

Glühwendel

14

Gasgenerator

15

Deckel mit Überstromventil

16

Sicherheitsverschluß

17

Überstromventil

18

unbewegl. Kegel

19

Balg

20

bewegl. Kegel

21

Düsen

22

dielektrisches Gehäuse

23

Mittelstab

24

Bohrung

25

Ablaßstopfen

26

Einfüllstopfen

27

Elektroden, schräggestellt

28

Durchführungen

29

zyl. Mantel

30

Gummimanschette

31

Gummimanschette

32

Bürsten

33

Schlauch

34

Leitung

35

Leitung

36

Leitung

Ansprüche

1. Verfahren zur Reinigung von Bohrlochfiltern in Flüssigkeitsentnahmebohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß im Filterhohlraum des Bohrlochfilters Druckimpulse, sowohl unter Ausnutzung der Verbrennung als auch der Detonation, durch Explosion eines Wasserstoff-Sauerstoff- Gasgemisches erzeugt und kolmatierende Ablagerungen gelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoff-Sauerstoff- Gasgemisch unmittelbar vor der Explosion im Bearbeitungsbereich des Filters durch Elektrolyse gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß in die Explosionsprodukte des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches zum Zeitpunkt ihres Einsturzes feinzerstäubtes Wasser eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung der Druckimpulse auf den zu reinigenden Abschnitt des Filters durch Abdichtung des Explosionsbereiches des Wasserstoff- Sauerstoff-Gasgemisches nach oben und unten konzentriert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1. bis 4. , dadurch gekennzeichnet, daß in die Explosionszone des Wasserstoff- Sauerstoff- Gasgemisches ein die Ablagerungen lösendes Reagens eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1. bis 5. , dadurch gekennzeichnet, daß die innere Filterwand bei Einbringen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mechanisch gereinigt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus einem dielektrischen Gehäuse mit in ihrem oberen Teil angeordneter Explosionskammer mit Zündeinrichtung und im unteren Teil angeordnetem Gasgenerator besteht, und die Explosionskammer vom Gasgenerator durch einen Reflektor getrennt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Explosionskammer einen Detonationszünder aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7. und 8., dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator als bipolare Elektrolyseeinrichtung ausgestaltet und mit einem Wassersicherheitsverschluß mit Überstromventilen und zentrisch angeordenten Elektroden versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7. bis 9., dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden schräg gestellt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7. bis 10., dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine elliptische oder halbelliptische Form aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß am Reflektor zentrisch und starr ein unbeweglicher Kegel befestigt ist, der über einen Balg mit einem beweglichen Kegel verbunden ist, wobei an der Außenfläche des unbeweglichen Kegels Düsen angeordnet sind und der bewegliche Kegel eine größere aufweist als der unbewegliche Kegel.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung oberhalb und unterhalb ihrer Explosionskammer mit Gummimanschetten abgedichtet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung an ihrem unteren Ende einen oder mehrere Bürstenringe aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß an der Explosionskammer ein Schlauch zur Reagenszuführung angeordnet ist.

Zeichnung