Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck Von...

Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck

Von Charlotte Hoblitz, 4. Semester RE²

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Gliederung1. Standort Groß Schönebeck2. Das Projekt: In situ Geothermielabor Groß

Schönebeck 3. Reservoircharakterisierung4. Langzeit-Pumptest 5. Stimulationsexperimente6. Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac7. Geophysikalische Untersuchungen8. Bohrlochmessungen9. Energieverfahrenstechnik10. Zusammenfassung & Ausblick

Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

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Standort: Groß Schönebeck


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Forschungslabor mit 4300 m tiefer Bohrung in dem verschiedenste Versuche zur Nutzung der Tiefengeothermie durchgeführt werden.

Betreiber: Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ-Potsdam)

Kriterien zur Wahl des Standortes:• Temperatur oberhalb von 120°C• Große regionale Verbreitung der Gesteine• Aufschluss verschiedener Gesteinsformationen• Intensiv erkundete Gas- und Erdölbohrungen


Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck

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• Untersuchung aller Stufen des Gesamtprozesses zur Vergleichbarkeit mit anderen Standorten (im Norddeutschen Becken)

• Entwicklung von Strategien zur Stimulation tiefer Aquifere


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2000-2001 Erschließung, Öffnung, Vertiefung der Bohrung2001 Charakterisierung Ausgangszustand

(Primärtest)2002 Erste Stimulation in der Sandsteinschicht:

StützmittelfracLangzeitpumpversuch

2003 Stimulation von Sand- und Vulkanitgesteinen mittels

Wasserfracs2002-2003 Untersuchungen während der Stimulation2005 Bohrung einer neuen über 4000 m tiefen

BohrungDanach Kommunikationsexperiment2007 Stimulation der neuen Bohrung und

Leistungstests2011 Errichtung eines Forschungskraftwerk

Wärme: 10 MW, Strom: 0,75 MW


Wasserfrac

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Reservoircharakterisierung• Ermittlung einer konkreten Vorstellungen der Struktur

und Durchströmeigenschaften

• Hauptwasserzufluss aus den Vulkaniten• Erstmals hydraulischer Nachweis eines Risses an der

BohrungVon Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

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Langzeit-Pumptest


• Von August bis September 2002• Untersuchung der Veränderungen nach der

ersten Stimulation• Ermittlung einer optimalen

Zusammensetzung des Stimulationsfluids• Verwendung: Tiefenwässer aus Rotliegend• Typische Kennwerte für Rotliegend-Fluide

▫ Salinitäten von ca. 260 g/l ▫ pH-Wert um 6▫ Hauptbestandteile: Ca, Na, Cl▫ Metalle: Eisen, Mangan, Blei, Zink, Kupfer

• Generell ist eine geothermische Nutzung der Fluide möglich

• Achten auf chemische Wechselwirkungen: z.B. können Eisen-gehalte und O2-Eintrag zu Schädigungen am Speicher führen

Primärfördertest 2001

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• Vortest: Hydraulische Stimulation der Rotliegendgesteine mit 1 und 9 l/s Erkenntnisse über druckabhängige Reaktion der Formation

• 1. Wasserfrac im offenen Bohrloch▫ Erweiterung der Experimente

auf gesamten offenen Abschnitt ▫ Anschließung der Konglomerat- und

Vulkanitschichten ▫ Injektion mit 3-24 l/s über 3 Tage▫ Danach Erhöhung auf 80 l/s für 8 h▫ Bestimmung der Produktivität in

Rückförderungsphase (Injektionstest)

Stimulationsexperimente

Offenes Bohrloch

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Ergebnisse:• Steigerung Produktivität um

Faktor 3 bis 4 gegenüber der Ausgangssituation

• Nicht anhaltend: Verstopfung des Bohrlochs durch Nachfall aus der Bohrlochwand

• Weiterführung der massiven Stimulation und geplante Nachnutzung nur in gesicherter Bohrung mithilfe eines Liners

• Zusätzliche Vertie-fung des Bohrlochs


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• 2. Wasserfrac im gesicherten Bohrloch▫ Änderung des Injektionsfluids▫ Stufentest bis max. 30 l/s▫ Hauptsimulationsphase: 30 l/s ▫ Ergebnisse:

Produktivitätstest Risse (max. Rissausdehnung) mit

Vertikaler Höhe von ca. 100 m Durchschnittliche Öffnungsweite

ca. 5 m Seitliche Ausdehnung: ca. 160 m

▫ Verschiedene technische Schwierigkeiten führten zu nicht vorgesehenen Einflüssen und unvorhersehbaren Ereignissen


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Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac


• Kontrolliertes Experiment:▫ Mehrere Stunden lang Förderung von Formationswasser

mit stufenweiser Erhöhung der Fließraten• Produktivitätsindex:

• Ergebnisse der Stimulationen ▫ Stabilisierung des Bohrlochs mittels Liner bzw. Meidung

von Stimulationen in offenen Bohrlöchern▫ Mindestproduktivität für ökonomische Nutzung: 0,5

l/s*barNicht als Förderbohrung geeignetZiel erreicht aber nicht im ausreichenden Maße

Stützmittelfrac 1. Wasserfrac 2. Wasserfrac

0,035 l/s*bar 0,057 l/s*bar 0,11 l/s*bar

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Geophysikalische Untersuchungen


• Ermittlung von Informationen über die Untergrundstruktur über elektrische Widerstände und Spannungen

• Methoden▫ Seismische Messungen: Detektion seismischer

Aktivitäten▫ Magnetotellurische Messungen: Messung elektr.

Widerstand▫ Vertikal-Elektroden-System: Messung elektr.

Widerstand• Keine Veränderungen vor und nach der Stimulation

erkennbar• Gründe:

Größeres Injektionsvolumen notwendig Wellenausbreitung durch darüber liegende

Sedimentschichten gedämpft Hoher elektromagnetischer Störpegel (Maschinen

u.ä.) Injektionsfluid hat sich mit Formationsfluid gemischt

und wurde aufgesalzen Zu geringer Leitfähigkeitskontrast

• Genereller Forschungsbedarf für alle Methoden

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Bohrlochmessungen


• Das Bohrloch wurde bei der Stabilisation vor dem 2. Wasser-frac auf 4309 m vertieft

• Notwendigkeit der Charakterisierung der neuen Gesteinsschichten und gleichzeitig Erfassung der Veränderungen nach den Stimulationen

• Erfasst wurden u.a.:▫ Druck und Temperatur in der Bohrung▫ elektrisches Potential und Leitfähigkeit,▫ Aufbau der Lithologie und der Gehalte der Gesteine

• Genutzte Verfahren waren fast durchweg erfolgreich und können für ähnliche Strukturen ebenfalls genutzt werden

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Energieverfahrenstechnik


1. Materialauswahl für Erzeugungsanlage▫ Langzeitstabile Auslegung der Komponenten▫ Für heiße, salzhaltige und gasführende Fluide▫ Auslegung zu Energieeffizienz und konstruktivem

Aufwand▫ Einflussgrößen

Temperatur, Zusammensetzung (Salz, Gas), Anlagengestaltung, Kosten-Nutzen-Verhältnis

2. Geeignet erscheint eine ORC-Anlage oder eine Kalina-Anlage, je nach Ansprüchen an Rücklauftemperatur und Wirkungsgrad

Fast alle Komponenten auf dem Markt erhältlich (außer Überwachungs-Sensoren im Fluidkreislauf)

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Zusammenfassung & Ausblick


Zusammenfassung

• Erhöhung der Fließrate wurde mittels Stimulation erreicht

• Bohrlochmessungen konnten einen großen Riss nachweisen

• Richtwerte für die Auslegung einer Geothermieanlage ermittelt

Weitere Experimente und Planungen nach der Stimulation

• Die vorhandene Bohrung soll als Schluckbohrung verwendet werden

• Eine neue Bohrung wurde als Förderbohrung durchgeführt

• Ein Kommunikationsexperiment wurde durchgeführt• Errichtung einer Demonstrationsanlage

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Zusammenfassung & Ausblick


Generelle Aussagen

• Injektionstests liefern aussagekräftige Ergebnisse zur Produktivität

• Vollständige Verrohrung des Bohrlochs in Rotliegend Gesteinen für die Geothermie Nutzung empfehlenswert

• Keine nachhaltige schädigende Wirkung der Injektionsfluide erkennbar

• Bildung gut leitender Risse mittels Wasserfracs • Stärkerer Einbezug von Vulkaniten in zukünftige

Betrachtungen

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Literatur


• Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck 3/90; Huenges, E.; Winter, H.; 2004

• Strom aus Erdwärme in Deutschland am Beispiel der GFZ- Forschungsbohrung Groß Schönebeck; Huenges, E.

• http://de.wikipedia.org/wiki/Rotliegend• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200504/0405_geothermie.html• Flyer Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck, Helmholtz Institut• http://www.geothermie-dialog.de/index.php?

option=com_content&view=article&id=10&Itemid=25• http://www.helmholtz.de/gb11/energie/projekte_aus_der_forschung/

geothermie_im_langzeittest• http://www.gfz-potsdam.de/

portal/-;jsessionid=FCCB45E64920BCEB820CE267BB3E0079?cP=sec52.content.detail&$part=CmsPart&docId=1793765&$event=display

• http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Energie/Projekte/abgeschlossen/geothermie-GrossSchoenebeck.html

• http://www.geothermie.stadt.sg.ch/projekt/tiefbohrungen/bohrkonzept.html#.Uf51xKyGdqY

• http://de.wikipedia.org/wiki/Geologische_Zeitskala• Stimulationsexperimente und hydraulische Untersuchungen in den Vulkaniten der

Bohrung Groß Schönebeck; Tischner, T.; 2004

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