Web-Service | Impressum | Sitemap | Kontakt | Deutsch  Englisch  Fransösisch  Spanisch  |

Left: The Nesjavellir Geothermal Power Plant in ÃŽingvellir, Iceland (Foto: Gretar Ãvarsson, 2006; via wikimedia)
Right: Well-log based prediction of rock thermal conductivity (Fuchs & Förster, 2013)

PetroKf - kf-Wert Ermittlung nach Bohrgutansprache


Flachbohrungen werden häufig ohne direkte Ermittlung hydraulischer Parameter durchgeführt. Durchlässigkeitsbeiwerte (kf-Werte) auf Grundlage von Korngrößenanalysen oder hydraulischen Tests liegen regelmäßig nur für wenige Bohrungen und ausgewählte Schichten vor. Bohrmeisterschichten- verzeichnisse oder die Gesteinsansprache des Projektgeologen sind in der Regel die Grundlage der archivierten Bohrdatendokumentation.

Für die Parametrisierung von numerischen Modellen ist die Ermittlung von Durchlässigkeitsverteilungen aus geologischen Schichtbeschreibungen der Schichten von Bohrungen, welche oft in Bohrungsdatenbanken verfügbar sind, von besonderer Bedeutung.

In der hydrogeologischen Praxis finden diverse Richtwerttabellen für die Zuweisung von kf-Werten zu Sedimentschichten Anwendung, die häufig eher überschlägigen Charakter aufweisen. Die kf-Wert-Bestimmung nach einer fixierten Methodik anhand der vorliegenden geologischen Schichtbeschreibung findet in der heutigen Praxis in aller Regel nicht statt. Dabei stellt bei der Mehrzahl der in Bohrungsdatenbanken erfassten Informationen die Bohrgutansprache die einzig vorhandene und zu diesen Zwecken auswertbare Information dar.

Nachfolgend wird ein deterministisches Verfahren zur zuverlässigen Abschätzung des kf-Wertes auf Basis der dokumentierten petrographischen Bohrgutansprache nach dem "Symbolschlüssel Geologie" und dessen dv-technische Umsetzung vorgestellt. Dieses Verfahren wird in ausführlicher Form in dem Artikel: "Deterministische kf-Wert-Schätzung nach petrografischer Bohrgutansprache", veröffentlicht in der Zeitschrift "Grundwasser", beschrieben.

Methode der Durchlässigkeitsbestimmung


Grundlage des Verfahrens ist die Ableitung einer synthetischen Kornsummenkurve aus der nach dem Symbolschlüssel Geologie notierten petrographischen Bohrgutbeschreibung.

1) Eingangsparameter

  • Eingabe der Petrographie in der Symbolschreibweise nach dem Symbolschlüssel Geologie: "mS,fs4,gs2"
  • Gliederung der Intensitätsabstufung in fünf numerische Quantifikatoren (Abb. 1, Tabelle rechts oben)

2) Algorithmus

  • Zerlegung der Bohrgutansprache in Haupt- ("mS") und Nebengemengeanteile ("fs4, gs2")
  • Ableitung des minimalen, maximalen und des mittleren zu erwartenden Gewichtsanteils jeder Korngrößenfraktion entsprechend der jeweils identifizierten Quantität

3) Kornsummenkurve

  • Erzeugen von Wertepaare aus den Korngrößenklassengrenzen und den jeweiligen im Mittel zu erwartenden Anteilen
  • Darstellung der im Mittel zu erwartenden Kornsummenkurve (orange) und der Hüllkurven (blau und grün begrenzen den Bereich der theoretisch erzeugbaren Kurvenschaar)

4) Ermittelte Parameter / Zielgrößen

  • Korngrößen bei beliebigen Durchgangskurven
  • Bestimmung des maximalen, minimalen und des wahrscheinlichen kf-Wertes unter der Annahme, dass die tatsächlichen Gehalte im Mittel dem Mittelwert der beschriebenen Gehaltsklassen (orange) entsprechen.
  • Bestimmung von Porosität, Nutzporosität, Krümmungszahl, Porenzahl, Kennkornzahl etc.
TOP

Validierungsergebnisse


Die Validierung des Algorithmus erfolgt in zwei Schritten:

1) Bestimmung des Systemfehlers

  • Datengrundlage: 10 Bohrungen, 185 Bohrgutproben mit petrographischer Feldansprache (nach Symbolschlüssel Geologie) und Analyse der Korngrößenverteilung per Siebanalyse
  • Vergleich der kf-Werte aus Siebanalyse der Bohrgutproben (kf.Sieb.) und nach Ableitung einer synthetischen petrographischen Beschreibung (kf.synth.) aus der per Siebanalyse ermittelten Korngrößenverteilung (Abb. 2)
  • Durchschnittliche Abweichung Faktor 1,2 ± 0,22 (Abb. 2, gelbe Box: Q1: 1,04; Q2: 1,13; Q3: 1,21);Diskrepanz (Faktor F) beschreibt die methodisch bedingte Unschärfe der deskriptiven Notation des Symbolschlüssels
  • Durchschnittliche Abweichung der Feldansprache (kf.Bohrgut) von Siebanalyse (kf.Sieb) um Faktor 3,23 ± 2,12 (Q2: 2,77)

2) Prüfung der Praxistauglichkeit

  • Datengrundlage: 10 Bohrungsdatenbanken im jungpleistozänen Tiefland und Molassebecken, 1009 Bohrungen mit rund 5.668 verwertbaren Schichtansprachen (kf.Sieb. nach Beyer).
  • Vergleich von (kf.Sieb.) und (kf.Bohrgut) (Zusammenstellung der Streubreiten Abb. 3)
  • Durchschnittliche Abweichung um Faktor 4,25 ± 0,22 (Abb. 3, über alle Datenbanken: Q1: 1,48; Q2: 2,41; Q3: 4,42)
  • Höhere Differenzen des Faktors F beschreiben die unterschiedliche Qualität der Siebprobennahme (Ausbildung und praktische Berufserfahrung), sowie die individuelle, subjektiv beeinflusste Schichtansprache des geologischen Sachbearbeiters, Bestimmungs-methodik und Sorgfalt
  • Petrographische Ansprache der Bohrgutproben erfolgt durch geologische Sachbearbeiter eher zu fein (rund 1/3); resultierende kf-Werte sind demnach eher zu klein

Schlussfolgerungen


Der vorgestellte Algorithmus realisiert eine deterministische kf-Wert-Schätzung auf Basis petrographischer Bohrgutansprachen. Für die untersuchten Bohrungsdatenbanken gilt:

  • 47 % bis 79 % weisen kf-Wert-Abweichungen F < 3,
  • 66 % bis 93 % Abweichungen < 5,
  • zwischen 1 % und 16 % Abweichungen > 10 auf.

Veröffentlichungen


Der vorliegende Artikel wurde im Mai 2010 als Poster auf der Drei-Länderjahrestagung der Fachsektion Hydrogeologie der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (FH-DGG) an der Eberhard-Karls Universität in Tübingen präsentiert:

 

»  Fuchs, S., Nillert, P.: Deterministische kf-Wert Schätzung nach petrographischer Bohrgutansprache − Theorie und praktische Anwendung, FH-DGG Jahrestagung 2010, 12.-16. Mai, Tübingen.

Fuchs, S., Nillert, P.: Deterministische kf-Wert-Schätzung nach petrografischer Bohrgutansprache − Theorie und praktische Anwendung

Zur Klärung der geologischen Verhältnisse von Grundwasserkörpern kommen häufig Erkundungsbohrungen als Aufschlussmaßnahmen zum Einsatz, wobei die Mehrzahl dieser Bohrungen ohne direkte Ermittlung hydraulischer Parameter durchgeführt wird. Durchlässigkeitsbeiwerte (kf-Werte) liegen regelmäßig nur für wenige Bohrungen und ausgewählte Schichten vor. Für die Parametrisierung von numerischen Modellen kann daher die Ermittlung von Durchlässigkeitsverteilungen aus geologischen Beschreibungen der erbohrten Gesteinsschichten von besonderer Bedeutung sein.

Bisher fanden in der hydrogeologischen Praxis diverse Richtwerttabellen verschiedener Herkunft für die Zuweisung von kf-Werten zu Sedimentschichten Anwendung, deren Ergebnisse häufig eher überschlägigen Charakter haben und durch die subjektiven Erfahrungen und Beurteilungen von Urheber und Anwender beeinflusst sind.

Zur Nutzung der in Bohrarchiven und elektronischen Datenbanken erfassten Informationen wurde ein Algorithmus zur deterministischen Schätzung des kf-Wertes auf Basis der, nach dem Symbolschlüssel Geologie des NLfB dokumentierten, petrographischen Bohrgutansprache entwickelt (FUCHS 2010, Zeitschrift Grundwasser, submitted).

Die Methode basiert auf der Ableitung der Korngrößenverteilung aus der petrographischen Beschreibung der beim Bohren gewonnenen Lockergesteinsproben. Für diese Korngrößenverteilung werden die beim Sieben oder Schlämmen verwendeten Auswerteverfahren zum Ansatz gebracht.

Gezeigt wird ein exemplarischer Vergleich der aus der petrographischen Bohrgutansprache erzeugten kf-Werte mit denjenigen, die aus den Siebanalysen der jeweiligen Proben bestimmt wurden. Die Praxistauglichkeit des Algorithmus wird auf Basis der Auswertung von mehreren Bohrungsdatenbanken (mit über 300.000 Schichtbeschreibungen) vorgeführt.

 

Eine detaillierte Beschreibung des Algorithmus ist dokumentiert in:

 

»  Fuchs, S. (2010): Deterministische kf-Wert Schätzung nach petrographischer Bohrgutansprache, Grundwasser, Heidelberg, Springer.

Fuchs, S.: Deterministische kf-Wert-Schätzung nach petrografischer Bohrgutansprache

Zur systematischen Nutzung von orts- und teufenbezogenen Bohrungsinformationen aus rolligen Lockergesteinen und deren Anwendung in geohydraulischen Berechnungen sowie zur Parametrisierung von Grundwassermodellen wurde ein deterministisches Verfahren zur Ableitung des kf-Wertes aus der petrographischen Bohrgutansprache nach dem "Symbolschlüssel Geologie" entwickelt. und in zwei Phasen validiert. In Phase 1 wurde an 185 Datensätzen der systemimmanente Fehler bestimmt. Die praktische Anwendbarkeit des Algorithmus wurde in Phase 2 an zehn Bohrungsdatenbanken mit rund 1.300 Bohrungen bzw. rund 300.000 Schichtansprachen getestet. Der systemimmanente Fehler des Algorithmus infolge der Systematik des "Symbolschlüssels Geologie" ist hinreichend gering (Faktor 1,2) und deutlich kleiner als derjenige Fehler, welcher aus unterschiedlich qualifizierter Bohrgutansprache bzw. der subjektiven Beurteilung entsprechend dem gewählten Bohrverfahren sowie der Art der Gewinnung von Bohrgutproben resultiert (Faktor 3,2). Ergänzend werden für beliebige theoretische Kornverteilungen nach dem Verfahren von Beyer für identische Hauptkomponenten berechnete kf-Werte in Form eines Nomogramms vorgestellt.

Software

Der vorgestellte Algorithmus wurde in Kooperation mit der GCI GmbH in eine windowslauffähige Software umgesetzt.

Projektseite GCI-PetroKf öffnen

»  Haben Sie Fragen oder Anregungen zu dem vorliegenden Artikel, dann kontaktieren sie mich oder nutzen Sie die Kommentarfunktion in der linken Menüspalte.