GEOGROUND - TU Bergakademie Freiberg

GEOGROUND *
In-situ-Bohrlochmessung der geothermischen
Leitfähigkeiten im geologischen Untergrund
M. Amro, St. Wagner, F. Rose, D. Sauer, H. Robles
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Aufgabenstellung
Problemlösung
Die Geothermie als Verfahren der Gewinnung von thermischer Energie aus
dem Untergrund für Gebäudeheizung und Klimatisierung gewinnt immer mehr
an Bedeutung. Die Effizienz dieses Verfahrens hängt stark von den
geothermischen Eigenschaften des Untergrundes ab. Es ist deshalb von
wesentlicher Bedeutung geothermische Bohrungen genauestens auszulegen.
Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit im Gestein von entscheidender Bedeutung.
Das Projekt GEOGROUND hat sich zum Ziel gesetzt, eine Sonde zu
entwickeln, welche die Wärmeleitfähigkeit im Bohrloch ortsdiskret,
tiefenabhängig bestimmt. Dafür wird das Prinzip des Thermal Conductivity
Scannings (TCS), basierend auf den Einsatz von Lasermessungen, genutzt.
Dabei wird mittels definierter Wärmestrahlung eine Temperaturdifferenz
erzeugt und durch Infrarot-Sensoren gemessen.
Messprinzip
2 ∙
Gestein
Max
3
1
Im bisher entwickelten Laborverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen nach dem
„Thermal Conductivity Scanning“
(TCS) - Prinzip von Yuri A. Popov
(Abb. 1) ist es notwendig, dass
Gesteinsproben für Kernuntersuchungen an die Oberfläche geholt
werden. Dabei wird eine Probenoberfläche mit einer fokussierten Wärmequelle bestrahlt und kontaktlos eine
Temperaturmessung mittels InfrarotThermosensoren durchgeführt, was Abb. 1: Schematische Darstellung
sehr genaue, ortsdiskrete Messungen einer TCS-Anlage von Yuri A. Popov
entlang eines Lineares erlaubt.
(Bild aus Lotz 2004)
2
Min
T- normiert
Abb. 5: Detailansicht des TCSLaser-/Sensor-Schlittens
Abb. 6: Prinzipskizze der Anlage im
Bohrloch: 1. vom Laser erwärmter Punkt;
2. Wärme-strahlung, die auf den Sensor
trifft; 3. Rotierbare Schiene, auf der sich
Sensor und Laser bewegen
Zusammenfassung
Am Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau wird im Rahmen des ZIMProjektes „GEOGROUND“ eine Sonde entwickelt, welche die Messung von
Wärmeparametern im Bohrloch tiefenabhängig und ortsdiskret ermöglicht.
Dafür wird die TCS-Laboranlage von Yuri A. Popov weiterentwickelt und den
Bedingungen im Bohrloch angepasst. Durch ein praktikable Lösung mit hohen
Messgeschwindigkeiten bei kleinen Messintervallen soll das entwickelte
Sondenverfahren dazu beitragen, die geothermischen Leitfähigkeiten in-situ zu
messen und damit die Effizienz beim Planen neuer Geothermieanlagen zu
steigern.
y [mm]
8
4
0
-4
-8
0
4
8
x [mm]
10
12
Temperatur [°C]
Abb. 2: Beispiel eines räumlichen
Temperaturverlaufs im Halbraum
nach einer bestimmten Zeit
∙
Wobei Q die vom Laser übertragene
Leistung [W], x die Entfernung
zwischen Quelle und Sensor und λ
die Wärmeleitfähigkeit sind. Wenn
Referenzkörper (R) mit bekanntem λR
und
Probekörper
(P)
mit
unbekanntem λP in einer Linie
liegend,
nacheinander
gescannt
werden, so kann die Wärmeleitfähigkeit λP nach folgender Formel
bestimmt werden:
Bohrloch
Abb. 4: TCS-Anlage im Labor
Labormodell TCS
Bei der Messung wird der fokussierte,
mobile und kontinuierlich arbeitende
Laser mit konstanter Geschwindigkeit
über die Probe hinweg bewegt. Laser
und Sensor stehen dabei in festem,
bekanntem Abstand zueinander. Die
übertragene Wärme breitet sich in
Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit in der Probe aus (Abb. 2).
Dabei gibt der Infrarotsensor den
Wert der höchsten Temperatur hinter
der Quelle wieder (Abb. 3). Die
maximale Temperatur, θ, wird von
folgender
Beziehung
bestimmt
(Popov et al. 1999):
Bei der Übertragung des TCS-Verfahrens vom Labor (Abb. 4 und 5) in das
Bohrloch (Abb. 6) müssen Störeinflüsse berücksichtigt werden, welche bei der
Labormessung irrelevant sind. Zu diesen zählen die Lichtabsorption des
Bohrlochfluides (Wasser), Druck und Temperatur im Bohrloch, das
Bohrlochdesign, Temperaturdrift im Bohrloch, unterschiedliche Reflexions-/
Emissionseigenschaften und die Neigung der Bohrlochwand sowie der
kaliberbedingte Messabstand der BL-Wand zu den Sensoren.
θ
Quellen
Popov, Y.A., Pribnow, D.F.C., Sass, J.H., Williams, C.F., Burkhardt, H. (1999):
Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical
scanning. In: Geothermics, 28
*Das vom BMWi geförderte Projekt
„Geoground“
ist
ein
Verbundprojekt
folgender Partner:





Abb. 3: Beispiel einer zu messenden
Temperaturverlaufskurve mit θ
ENVISYS GmbH & Co. KG
IBF - TU Bergakademie Freiberg
IFU DIAGNOSTIC SYSTEMS GmbH
JENA-GEOS - Ingenieurbüro GmbH
Homilius Bohren & Umwelttechnik

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