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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
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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
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Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck
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Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck
• Untersuchung aller Stufen des Gesamtprozesses zur Vergleichbarkeit mit anderen Standorten (im Norddeutschen Becken)
• Entwicklung von Strategien zur Stimulation tiefer Aquifere
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Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck
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
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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
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• 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
Stimulationsexperimente
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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
Stimulationsexperimente
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Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac
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• 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
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• 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
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• 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
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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
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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
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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
Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13
• 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