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Brunnenentwicklung

Die Brunnenentwicklung ist eine Maßnahme zur Aktivierung der Förderfähigkeit eines neu gebauten Brunnens.

Um die größt mögliche Ergiebigkeit des Brunnenbauwerks zu erreichen müssen die durch den Bohrvorgang entstandene Veränderungen am Gefüge des wasserführenden Lockergesteins und/oder Veränderungen durch Ablagerung von Feinanteilen an der Bohrlochwand (Filterkuchen) rückgängig gemacht werden. Bohrspülungsreste wie z.B. Betonit, CMC-Spülungszusätze oder andere abdichtenden Zusätze müssen unbedingt aus der Bohraureole und der Ringraumfüllung des Brunnens entfernt werden um die wirkungsrelevanten Porenräume zu reinigen und um die Ansiedlung von Bakterien zu verhindern

Zusätzlich muss die Durchlässigkeit des Brunnenumfelds erhöht werden.

Ganz wichtig sind dabei die Entwicklung eines stabilen Korngerüstes im Lockergestein des Brunnenumfeldes und das Korngefüge der Filterkiesschüttung. In Festgesteinsbrunnen müssen die lösbaren Ablagerungen aus den Klüften entfernt werden.

Um diese Ziele zu erreichen werden häufig mehrere Verfahren kombiniert und ggf. in verschiedenen Variationen wiederholt.

Der Abbau des Filterkuchens erfolgt zunächst durch Zugabe von Chemikalien, anschließend durch den Einsatz eines oder mehrerer mechanischer Verfahren.

Die bisher verwendeten klassischen Verfahren zur Entsandung und Entwicklung eines Brunnenbauwerkes sind wie folgt:

  1. Einblasen von Druckluft, dabei erfolgt neben einer Aufwirbelung der Feinanteile bei Auslegung als Mammutpumpe eine schwallweise Förderung, die aufgrund der damit verbundenen Druckschwankungen auf die Bohrlochwand zur mechanischen Zerstörung und anschließendem Austrag des Filterkuchens führt.
  2. Klarpumpen mittels einer gegen verstärkte Sandführung gepanzerten Unterwasserpumpe. Dabei wird die Fördermenge bei gleichzeitig zunehmender Durchlässigkeit zumindest bis zum 1,5-fachen der späteren Dauerleistung und bis zum Erreichen völliger Sandfreiheit des geförderten Wassers gesteigert.
  3. Schocken durch Wechselpumpen und rasches und kurzzeitiges Anpumpen und Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen, gefolgt von einer Pumpenabschaltung und dem Wiederanstieg (ggf. noch unterstützt durch den Rückfluss aus der Steigleitung), werden wiederholt, die Strömungsverhältnisse im Brunnen und Brunnenumfeld umgekehrt.
  4. Entsandungskolben mit einem gegen das Brunnenvollrohr und den Brunnenfilter abdichtenden Kolben der über das Bohrgestänge im Vollrohr oder Filter in raschem Wechsel gehoben und abgesenkt wird. Die dabei entstehenden Drücke, Strömungswechsel und Strömungsgeschwindigkeiten ermöglichen neben dem Freispülen der Filteröffnungen eine Reklassifizierung des Korngerüsts im Kiesmantel sowie die Mobilisierung der Feinanteile im Brunnenumfeld.
  5. Im Filterbereich werden häufig auch Strahldüsen (Jetten oder Hochdruckspülung) eingesetzt, über die klares Wasser unter hohem Druck an der Filterinnenwand in drehender Auf- und Ab Bewegung eingepumpt wird, um dadurch insbesondere die Filteröffnungen frei zu spülen und evtl. vorhandene Kiesbrücken zu zerstören.
  6. Intensiventsandung durch abschnittsweises Entsandungspumpen, ggf. unterstützt mit Druckwellen Impulseintrag. Hierbei werden progressiv von unten nach oben entweder über Einfachpacker oder Doppelpacker bzw. einen Entsandungsseiher abgesperrte Bereiche jeweils bis zur Höchstfördermenge abgepumpt. Die ggf. zusätzlich eingetragenen Druckstöße durch Impulsgeneratoren ermöglichen die Auflösung von Verstopfungen beim Pumpprozess. Die Erfolgskontrolle erfolgt durch kontinuierliche Austragskontrolle aus dem Voll- oder Teilstrom und durch die Ermittlung der spezifischen Ergiebigkeit. Die Brunnenentwicklung ist dann abgeschlossen, wenn im Anschluss an eine der beschriebenen Methoden keine Änderung der spezifischen Ergiebigkeit mehr erfolgt und die für den späteren Betrieb geforderte Sandfreiheit ( < 1 g Sand pro m3 Wasser) gewährleistet ist.

Eine Weiterentwicklung der klassischen Intensiventsandung und der neuste Stand der Technik ist die Hochleistungsentsandung.

Die Verwendung einer symmetrischen Doppelkolben Kammer SDKK®, statt des klassischen Entsandungsseihers, bei gleichzeitigem Eintrag von Druckstößen durch das Impulsverfahren Well Burst, macht es möglich, eine leistungsgesteigerte Intensiventsandung mit extremen Feststoffaustragsraten durchführen zu können. Das gilt sowohl für Vertikal- wie auch für Horizontalfilterbrunnen.

Die symmetrische Doppelkolben Kammer SDKK® ist ein Werkzeug zur Intensiventnahme für den Einsatz in Filterrohren von vertikalen und horizontalen Brunnen. Aufgabe der SDKK® ist die Porenreinigung des Filterkorns im Ringraum zwischen Filterrohr, dem natürlichen Gebirge, sowie der angrenzenden Bohraureole.

Die Abmessungen der Doppelkolben Kammern werden dem zu bearbeitenden Brunnenausbau angepasst. Die Verbindung der spezifisch berechneten Kammerförderrate und dem Anwendungsverfahren gewährleistet, dass an allen zu reinigenden Orten in der äußeren Umgebung des Brunnenfilterrohres ausreichend hohe Transportgeschwindigkeiten (Schleppkräfte) des Grundwassers für eine optimale Porenreinigung erzeugt werden.

Der Aufbau des Systems kann variieren, je nach Anforderungsprofil besteht die Funktionsstrecke aus SDKK®, Strömungsbypass mit Well Burst Druckwellen Generator und gemantelter Pumpe oder einer Kombination aus SDKK® mit integrierter Pumpe und Strömungsbypass mit Well Burst Druckwellen Generator.

Vor Durchführung einer Hochleistungsentsandung werden nach der klassischen Zustandsanalyse des Brunnenbauwerkes wie TV-Inspektion, Geophysik und Pumpversuch, die geologischen, hydrologischen und hydraulischen Verhältnisse untersucht und bewertet. Anhand numerischer Simulationen der Strömungsverhältnisse an der Doppelkolbenkammer im Wirkungsbereich Filterrohrwand, Filterschüttung, Bohraureole und Gebirge können die Konfiguration der Entnahmekammer sowie der Kammerförderraten ermittelt werden. Die daraus abgeleitete Ausführungsplanung wird durch Berechnungen mittels der spezifischen Brunnendaten unterstützt.

Eine Entwicklung oder Regenerierung des Brunnens wird dadurch planbar.

Die symmetrische Doppelkolbenkammer ist für die abschnittsweise Förderung in einem Brunnenfilter geeignet. Diese Technologie bringt, im Vergleich mit anderen Techniken der Entnahme, nachgewiesener maßen bedeutend höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Grundwassers im zu entsandenden bzw. zu reinigenden Abschnitt.

„Die ohne Überlappung aneinandergrenzenden Arbeitsabschnitte haben die Länge der Kammeröffnung bzw. eines Begrenzungskolbens von jeweils 0,5 Metern. Die Wirkungsweise der symmetrischen Doppelkolbenkammer beruht auf der optimalen Ausnutzung der sich in der Umgebung einer Entnahmekammer einstellenden Brunnenanströmung. Dabei wird die größte Strömungsgeschwindigkeit bzw. Porenreinigung im Filterkorn gegenüber den Begrenzungskolben erzeugt. Die intensivste Reinigung der Bohraureole bis in den angrenzenden Grundwasserleiter wird allerdings gegenüber der zentralen Kammeröffnung erzielt.

Im DVGW Merkblatt W 130 „Brunnenregenerierung“ wird auf die entscheidende Bedeutung der gleichzeitigen Trennung des Verbundes zwischen Ablagerungen und Filterkorn und Austrag der abgelösten Partikel hingewiesen. Präzisierend ist hierzu festzustellen, dass die zur Trennung empfohlenen Verfahren des Eintrags von Erschütterungen bzw. Impulsen in das Filterkorngefüge außerdem einen wesentlichen Beitrag zur Bewerkstelligung eines optimalen Austrages leisten, indem sie die hydraulisch wirksamen Porenkanaldurchmesser vergrößern.

Die fiktive Aufweitung der Porenkanäle in Form der Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Porenkanaldurchmessers und damit der Austragsmöglichkeit von Partikeln wird durch Vergrößerung des Durchgangsfaktors erzielt. Praktisch werden die den Partikelstrom durch die Porenkanäle behindernden Kräfte durch Eintrag von Erschütterungen bzw. Impulsen kurzzeitig reduziert.

Hieraus leitet sich auch ab, dass die alleinige Umkehr der Strömungsrichtung beim sogenannten Schocken zwar entstandene Partikelbrücken aufbrechen und diesbezüglich die Porenkanäle immer wieder öffnen, aber eine Reduzierung der Kohäsions- und Adhäsionskräfte eher nicht bewirken kann und deshalb effizienten Verfahren des Impulseintrages unterlegen ist.“ (Nillert, GCI)

Somit ist es möglich, alle lös- und austragbaren Feststoffe wie Schluff- und Feinsandkorn sowie Ocker- und Manganpartikel, mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit, also Schleppkraft, durch die nutzbaren Porenkanäle durch den Brunnenfilter in den Brunnen zu transportieren und abzufördern. Der gleichzeitige radiale kontinuierliche Impulseintrag durch das Well Burst Verfahren sorgt für die permanente Lockerung des Korngefüges und bricht die sich ständig bildenden Materialbrücken (Verstopfungen) auf. Dies ermöglicht die andauernde Mobilisierung des anstehenden transportfähigen Materials. Die beeindruckende Wirkung der Verfahren von hoch beschleunigt gefördertem Wasser durch die symmetrische Doppelkolbenkammer und kontinuierlicher Druckstoßwellen in simultanem Einsatz, beruht auf den vergleichbaren räumlichen Reichweiten beider Verfahren, die sich im Zusammenspiel effizient  ergänzen.

Im anstehenden Gebirge des zu entsandenden Brunnen werden ebenfalls feststellbare Wirkungen erzielt. Die Vergrößerung der Filtergeschwindigkeit im hochleistungsentsandeten Brunnen ist nicht nur in der Filterschüttung sondern auch im Übergangsbereich Gebirge / Filterschüttung erreichbar. Mit den bisher verwendeten Manschettenkammern (Seihern) sind vergleichbare Einwirkungen und Sandaustragsmengen nicht zu erzielen.

Allerdings ist bei der Verwendung von Druckstoßwellen zu beachten, dass die Filterschüttung verdichtet werden kann. Vor allem bei Brunnen mit nicht ausreichend konsolidierter Filterschüttung kann es zu Setzungen kommen. Hier ist eine geophysikalische Voruntersuchung des Kiesfilters und der Tonsperre erforderlich.

Die kontinuierliche Lösung und Mobilisierung des Unterkorns bei gleichzeitigem, intensivem Abfördern, erfüllt die Anforderung an Brunnenregenerierungen gemäß DVGW W130 „parallele Aufhebung des Verbundes bei gleichzeitiger Entfernung der gelösten Ablagerungen“ und ist somit Garant für eine qualitativ hochwertige Entsandung und Entwicklung des Brunnenbauwerkes. Nur so lässt sich die volle Leistungsfähigkeit herstellen.

Die Erfolgskontrolle erfolgt durch kontinuierliche Austragskontrolle aus dem Voll- oder Teilstrom und durch die Ermittlung der spezifischen Ergiebigkeit. Die Brunnenentwicklung ist dann abgeschlossen, wenn im Anschluss an eine der beschriebenen Methoden keine Änderung der spezifischen Ergiebigkeit mehr erfolgt und die für den späteren Betrieb geforderte Sandfreiheit ( < 1 g Sand pro m3 Wasser) gewährleistet ist.

Als Filterkornmaterial können Kies, Sand oder Glaskugeln im Brunnen eingebaut sein. Die für jeden Filtertyp und Durchmesser angepassten und speziell konfektionierten Dichtungselemente der Doppelkolbenkammer, garantieren die Vermeidung von Strömungsverlusten zwischen Kammerkolben und Filterrohr.

Die SDKK®  kann in Filterrohren mit Durchmesser 100 mm bis 1500 mm aller handelsüblichen Bauarten mit Filterkorn im Ringraum mit einfacher und zweifacher Ringraumschüttung verwendet werden. Auch in Einschubverrohrungen bis zum Brunnenkopf oder verlorene Filterrohreinschübe (Inliner) wie z.B. eingestelltem Stahl-Wickeldrahtfilter mit zusätzlichem Stützkornmaterial im Ringraum zwischen den eingeschobenen Filterrohren und dem Brunnenrohr können erfolgreich mit dem Verfahren Hochleistungsentsandung bearbeitet werden.

Die Konstruktion der SDKK®  erlaubt eine leichtgängige Arbeitsbewegung in Richtung der Rohrachse und verhindert die Akkumulation von auszutragenden Feststoffen auf ihren Oberflächen, wodurch ein Verklemmen des Werkzeuges unmöglich wird und Beschädigungen von Filter- und Rohrinnenflächen vermieden werden. Werkzeug und Dichtungselemente können für den Einsatz in Trinkwasserbrunnen vor der Anwendung desinfiziert werden.

Die DKSK® entspricht in ihren Eigenschaften der SDKK®  mit dem Unterschied, dass die Öffnungsweite der zentralen Entnahmekammer nicht der Kolbenlänge gleich ist, sondern entsprechend der vorgesehenen Anwendung verkürzt ist. Dadurch werden die strömungsmechanischen Wirkungen in der Arbeitsumgebung der Kammer zielgerichtet verändert.

Zum Abschluss wird der während der Entwicklung im tiefsten Abschnitt des Brunnens abgelagerte Schlamm und Sand entfernt.