DE102011075995B4

DE102011075995B4 - Messsonde und Verfahren zur räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds

Info

Publication number: DE102011075995B4
Application number: DE102011075995.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vienken; Peter Dietrich
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: DE102011075995A1

Abstract

Messsonde zur räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, wobei die Messsonde für das Direct Push-Verfahren ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde einen rohrförmigen Grundkörper besitzt, auf dessen umlaufender Wandung ein elektrisches Heizelement sowie Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messsonde und ein Verfahren zur kontinuierlichen und räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds.
Hintergrund der Erfindung
Die Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds ist einer der maßgebenden Parameter für die Dimensionierung und die Effizienz von Anlagen zur Nutzung tiefer und flacher Geothermie. Die Kenntnis über die Verteilung der Wärmeleitfähigkeit ist zudem eine Voraussetzung im sogenannten Reservoir Engineering und der damit verbundenen erfolgreichen Ausbeutung von Speichergesteinen bei der Erdgas- und Erdölgewinnung.
Die Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit geschieht häufig über statische Tests, d. h. Setzen eines Temperaturimpulses und Messung des Temperaturverlaufes über die Zeit in einer bestimmten Tiefe. Im Bereich der flachen Geothermie wird häufig der sogenannte Thermal Response Test eingesetzt, bei dem der Temperaturimpuls über eine zuvor installierte Erdwärmesonde gesetzt wird. Bei der Erkundung im Bereich tiefer Geothermie und der Lagerstättenkunde wird auf Labormessung der Wärmeleitfähigkeit an Gesteinsproben zurückgegriffen.
Der Thermal Response Test liefert einen integralen Wert der Wärmeleitfähigkeit des vermessenen Untergrundes. Er gibt somit keine Auskunft über die vertikale Variation der Wärmeleitfähigkeit. Für den Thermal Response Test muss zuvor eine Erdwärmesondenanlage installiert werden. Die Installation und die Testdauer sind häufig mit einem nicht zu unterschätzenden technischen und finanziellen Aufwand in der Erkundungsphase verbunden.
Andere Messungen der Wärmeleitfähigkeit beruhen generell auf einem stationären Messverfahren. Hier wird eine Wärmequelle in eine bestimmte Tiefe verbracht und mit Sensoren der Temperaturverlauf in dieser Tiefe verharrend über die Zeit aufgezeichnet. Labormessungen an Gesteinsproben können aufgrund des großen technischen Aufwands bei der Probengewinnung oft nur an einer geringen Probenanzahl durchgeführt werden. Da die Gesteinsproben ihren Umgebungsbedingungen entzogen werden, sind Labormessungen oft fehlerbehaftet.
Die tiefe und flache Geothermie unterlag im letzten Jahrzehnt im Bereich der Energie- und Wärmegewinnung einem kontinuierlichen Wachstum. 2008 lag die gewonnene Endenergie aus Geothermie europaweit bei 14,3 TWh. Gerade hinsichtlich der deutlichen Fortschritte in der Bohr- und Anlagentechnik wiegen die beschriebenen Defizite in der Erkundungsphase umso mehr.
US 3,892,128 A beschreibt eine konventionelle Sonde, die in ein Bohrloch mit Zementschalung verteuft wird. Weitere Beispiele für konventionelle Sonden können US 3,807,227 A , WO 82/00713 A1 und JP 2009-145204 A entnommen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere der geschilderten Probleme lassen sich mit Hilfe der Erfindung lösen oder zumindest mindern. Ein Aspekt der Erfindung liegt dabei in der Bereitstellung einer Messsonde zur kontinuierlichen und räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds. Die Messsonde ist für das Direct-Push-Verfahren ausgelegt und zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen rohrförmigen Grundkörper besitzt, auf dessen umlaufender Wandung ein elektrisches Heizelement sowie Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds nach dem Direct-Push-Verfahren. Das Verfahren umfasst die Schritte:

(i) Bereitstellen einer Messsonde, die für das Direct-Push-Verfahren ausgelegt ist und einen rohrförmigen Grundkörper besitzt, auf dessen umlaufender Wandung ein elektrisches Heizelement sowie Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind;
(ii) Erfassen einer Heiztemperatur des Heizelements;
(iii) Erfassen einer Vortriebsgeschwindigkeit, mit der die Messsonde während der Messung im zu vermessenden Untergrund bewegt wird, und Bestimmung einer räumlichen Lage des Heizelementes und der Temperatursensoren über den Messverlauf anhand der Vortriebsgeschwindigkeit;
(iv) Erfassen des Temperaturverlaufs an den oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordneten Temperatursensoren und Zuordnung der erfassten Temperaturen zur jeweiligen räumlichen Lage der Temperatursensoren über den Messverlauf; und
(v) Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds in einer vorgegebenen räumlichen Lage anhand der in dieser räumlichen Lage erfassten Temperaturen der oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordneten Temperatursensoren.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kontinuierlich und räumlich aufgelöste Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds mit Hilfe einer Messsonde möglich ist, bei der ein Heizelement etwa mittig angeordnet ist und oberhalb und unterhalb des Heizelementes Temperatursensoren angeordnet sind. Die rohrförmige Messsonde wird mittels Hydraulik (Direct Push Technologie) in unverfestigte Lockersedimente gedrückt/gehämmert, so dass das Heizelement die anliegende Zone des Untergrunds erwärmen kann. Da dieser Bereich zuvor bereits mit einem in Vortriebsrichtung weiter vorne auf der Messsonde angeordneten Temperatursensor vermessen wurde, ist die Ausgangstemperatur in dieser Zone bekannt. Wenn die Messsonde nun weiter verteuft wird, gelangt zunächst das Heizelement und daraufhin ein in Vortriebsrichtung nachgeordneter Temperatursensor in den Bereich der Zone und misst die Temperatur. Oberhalb und unterhalb des Heizelementes sind mehrere Temperatursensoren in Reihe angeordnet, so dass im weiteren Vortrieb der Sonde das weitere zeitliche Abklingen der Temperaturerhöhung über die nachgeordneten Sensoren in der zu vermessenden Zone erfasst werden kann. Auch beim Bergen der Sonde kann erneut das Temperaturprofil des Untergrundes abgegriffen werden, so dass die Messergebnisse überprüft werden können, ohne den zeitlichen Gesamtaufwand für die Messung wesentlich zu erhöhen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach im Schritt (i) die obig beschriebene Messsonde bereitgestellt und im Schritt (ii) mit dem Start des Messens über ein Heizelement die Untergrundmatrix auf eine bekannte Temperatur erwärmt. Im Schritt (iii) wird anhand der erfassten Vortriebsgeschwindigkeit die relative Lage des Heizelementes bzw. der Temperatursensoren während der Messung bestimmt. Über die Temperatursensoren, die oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind, werden in jeweils gleicher relativer Lage dieser Elemente zum zu vermessenden Untergrund die dort herrschenden Temperaturen erfasst (Schritt (iv)). Schließlich wird in an sich bekannter Weise aus den sich ergebenden Temperaturunterschieden die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes im Schritt (v) bestimmt.
Mit Hilfe der Erfindung können demnach kontinuierliche in situ Messungen der Wärmeleitfähigkeit mit direktem Kontakt der Sonde zur Formation durchgeführt werden. Durch die gemessenen Daten können vertikal hoch aufgelöste eindimensionale Tiefenprofile der Verteilung der Wärmeleitfähigkeit im Untergrund generiert werden. Hierdurch kann eine Identifikation von Zonen höherer und geringerer Wärmeleitfähigkeit erfolgen. Es ist eine Auflösung im Zentimeterbereich möglich. Im Gegensatz zu anderen Verfahren, muss die Sonde also nicht in einer bestimmten Tiefe für die Messungen verbleiben. Das Messkonzept erlaubt eine tiefenbezogene, kontinuierliche Messung der Wärmeleitfähigkeit, wobei durch den kontinuierlichen Messfortschritt deutlich schnellere Messungen ermöglicht werden. Vorzugsweise sind zwei oder mehr, insbesondere zwei bis fünf, Temperatursensoren jeweils oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet.
Kurzbeschreibung der Figur
Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Messsonde.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 illustriert schematisch eine Messsonde 10, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur räumlich aufgelösten Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit des Untergrunds Einsatz finden kann. Die Messsonde 10 weist einen rohrförmigen Grundkörper 12 auf mit einer konusförmigen Spitze 14 und Gewindeübergang zum Sondierhohlgestänge 16, durch das eine Zuleitung 18 zur Stromversorgung und zum Datentransfer geführt wird. In der umlaufenden Wandung des Grundkörpers 12 ist etwa mittig ein elektrisches Heizelement 20 eingebettet. Oberhalb und unterhalb des Heizelementes 20 sind Temperatursensoren 22, 24 in Reihe beabstandet an der Oberfläche des Grundkörpers 12 angeordnet.
Über die Zuleitung 18 wird das Heizelement 20 mit Strom gespeist und auf eine bekannte Temperatur erhitzt. Mit Kenntnis der Vortriebsgeschwindigkeit und Länge des Heizelementes 20 kann die Verweilzeit des Heizelementes 20 in einer beliebigen Tiefe x errechnet werden. Wird die Sonde 10 in das Bohrloch oder den Untergrund eingebracht, so messen die Temperatursensoren 24 die unbeeinflusste Temperatur und die Temperatursensoren 22 die von dem Heizelement 20 beeinflusste Matrixtemperatur. Mit Kenntnis der Vortriebsgeschwindigkeit und der Lage der Temperatursensoren 22, 24 kann aus den Messungen für vorgegebene Tiefen x eine Temperatur-Zeit-Kurve ermittelt werden. Die Auswertung dieser Kurve in Verbindung mit den Informationen vom Aufheizen ermöglicht die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in der Tiefe x.
Somit kann in jeder erreichten Tiefe der Temperaturverlauf über einen bestimmten Zeitraum gemessen werden, ohne dass die Sonde in dieser Tiefe verharren muss. Die Anordnung der Temperatursensoren 22, 24 oberhalb und unterhalb des Heizelementes 20 erlaubt eine redundante Messung der Wärmeleitfähigkeit beim Abteufen und Bergen der Sonde.

Claims

Messsonde zur räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, wobei die Messsonde für das Direct Push-Verfahren ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde einen rohrförmigen Grundkörper besitzt, auf dessen umlaufender Wandung ein elektrisches Heizelement sowie Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind.
Messsonde nach Anspruch 1, bei dem zwei oder mehr Temperatursensoren jeweils oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind.
Verfahren zur räumlich aufgelösten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds nach dem Direct Push-Verfahren, umfassend die Schritte: (i) Bereitstellen einer Messsonde, die für das Direct Push-Verfahren ausgelegt ist und einen rohrförmigen Grundkörper besitzt, auf dessen umlaufender Wandung ein elektrisches Heizelement sowie Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordnet sind; (ii) Erfassen einer Heiztemperatur des Heizelements; (iii) Erfassen einer Vortriebsgeschwindigkeit, mit der die Messsonde während der Messung im zu vermessenden Untergrund bewegt wird, und Bestimmung einer räumlichen Lage des Heizelementes und der Temperatursensoren über den Messverlauf anhand der Vortriebsgeschwindigkeit; (iv) Erfassen des Temperaturverlaufs an den oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordneten Temperatursensoren und Zuordnung der erfassten Temperaturen zur jeweiligen räumlichen Lage der Temperatursensoren über den Messverlauf; und (v) Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds in einer vorgegebenen räumlichen Lage anhand der in dieser räumlichen Lage erfassten Temperaturen der oberhalb und unterhalb des Heizelementes angeordneten Temperatursensoren.