DE3108311A1

DE3108311A1 - "sonde zur bestimmung von waermeleitfaehigkeit"

Info

Publication number: DE3108311A1
Application number: DE19813108311
Authority: DE
Inventors: Jörn Behrens; Bernd Hamburg-Norderstedt Roters; Heinrich 1000 Berlin Villinger
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1981-12-24
Also published as: IT8147931A0; FR2477714A1; IT1170774B; GB2071319B; GB2071319A

Description

PATENTANWÄLTE

• . J

D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE S3 D-8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSe 4O

BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MÜLLER-BÖRNER

tUKOPEAN ATOMIC München: dipl.-inq.hans-heinrichwey

ENERGY COMMUNITY cpl.-.n*. ekkehard körner

(EURATOM)

Berlin, den 27. Februar 1981

Sonde zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit

(Priorität: Großbritannien ,Nr. 8007284 vom 04. März 1980)

8 Seiten Beschreibung mit
6 Patentansprüchen
1 Seite Zusammenfassung
1 Blatt Zeichnung

MP - 27 685/6

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 ) vWUOi / U "ld Ό fTC H E N : TELEFON (Ο8β) 22 05 85
KABEL: PROPINDUS · TELEX OI 84OB7 · KABEL: PROPIN DUS ■ TELEX 08 34944

■t-1.

Die vorliegende Erfindung betrifft Sonden für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ihrer Umgebungen, insbesondere von ein Bohrloch umgebendem Gestein.

In den vergangenen zwei Jahren sind geothermische Untersuchungen in seichten Bohrlöchern von etwa 30 bis 40 m Tiefe durchgeführt worden. Ihr Ziel bestand darin, den vertikalen terrestrischen WärmefluB zu bestimmen, d.h. das Produkt des vertikalen Temperaturgradienten und der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins. Es war nicht sicher, ob die erforderlichen Kernmuster zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit durch Dauerzustandsverfahren im Laboratorium erhalten werden könnten. Daher mußten Verfahren zu in - situ - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gestein entwickelt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft das daraus resultierende Messungsprinzip, die Konstruktion der Sonde und die ersten Ergebnisse der unter Verwendung einer solchen Sonde in situ durchgeführten Messungen.

Nach Abschluß bestimmter grundlegender Untersuchungen wurde das Messungsprinzip der vorliegenden Sonde erarbeitet. Es besteht in der Verwendung einer zylindrischen Wärmequelle, die innerhalb eines verrohrten Bohrlochs aufgeheizt wird. Die Quelle wird physikalisch durch einen abgetrennten Ab-. schnitt eines mit Wasser gefüllten verrohrten oder nicht verrohrten Bohrlochs geschaffen. Dieser Abschnitt wird unter Verwendung einer gleichmäßigen Energiezufuhr erhitzt, und nach einiger Zeit wird der sich daraus ergebende Temperaturanstieg zu einer linearen Funktion des Logarithmus der Aufheizzeit. Der Anstieg der sich ergebenden Kurve - d.h. der geradlinige Abschnitt dieser - ist umgekehrt proportional

13ÖÖS2/06Ö9

-IS-

zur Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins. Dieses Verfahren der Datenauswertung beruht auf der Annahme einer unendlichen Linienquelle, die unter folgenden Bedingungen gerechtfertigt ist : (i) Das Verhältnis Länge zu Durchmesser der Quelle überschreitet 20, (ii) das umgebende Gestein hat eine

gleichmäßige und isotrope Wärmeleitfähigkeit, und

(iii) der ringförmige Raum innerhalb des Bohrlochs ist mit einem Material gefüllt, um Wärmekonvektionswirkungen zu vermeiden.

Entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Sonde für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ihrer Umgebung geschaffen, die eine längliche Heizvorrichtung, die in ein Bohrloch eingesetzt werden kann; einen Temperaturfühler zum überwachen der Temperatur von die Heizvorrichtung umgebender Flüssigkeit; sowie Mittel zum elastischen Eingreifen in die Wände des Bohrlochs umfaßt, in das die Sonde jeweils am Ende der länglichen Heizvorrichtung eingesetzt wird, um ein Flüssigkeitsvolumen um die Heizvorrichtung herum zurückzuhalten. Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von ein mit Wasser gefülltes Bohrloch umgebendem Gestein vor, das das Absenken einer erfindungsgemäßen Sonde; das Betätigen der Eingriffsmittel, um eine Wassermenge um die Heizvorrichtung herum zurückzuhalten; das wahlfreie Umrühren des zurückgehaltenen Wassers, um thermische Schichtung so gering wie möglich zu machen; das Aufheizen des zurückgehaltenen Wassers mittels der Heizvorrichtung bei einer gleichmäßigen Rate an Energieverbrauch;

und das überwachen des Grades des Temperaturanstiegs des zurückgehaltenen Wassers mit Hilfe des Temperaturfühlers umfaßt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieis näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt der in einem mit Wasser gefüllten verrohrten Bohrloch angeordneten Meßsonde für Wärmeleitfähigkeit, und

Fig. 2 ein Beispiel einer mit der Meßsonde nach Fig. 1

durchgeführten Messung, wobei das umgebende Gestein aus Ton bestand.

Um einen Abschnitt eines mit Wasser gefüllten Bohrlochs 1, das ein Mantelrohr 2 hat, abzutrennen, werden zwei aufblasbare Stopfen 3,4 oberhalb und unterhalb dieses Abschnitts verwendet. Die thermisch isolierte Wassersäule wird mittels der Heizdrähte 5 aufgeheizt, und die Temperatur des die Heizdrähte umgebenden Wassers wird mittels des Temperaturfühlers 6 gemessen. Um thermische Schichtung zu vermeiden, wird die abgetrennte Wassersäule mit Hilfe einer in dem unteren Stopfen 3 angeordneten kleinen Umlaufpumpe 7 vermischt. Es hat sich als ausreichend herausgestellt, die Temperatur in der Mitte der Wassersäule aufzuzeichnen, wobei die Aufzeichnungs- und Steuereinheit 8 an

der Erdoberfläche liegt. Diese Einheit 8 besteht aus
einer (nicht dargestellten) Vorrichtung zum Messen
und Speichern der Temperaturdaten und einer Einheit 9
zum Handhaben und Steuern der Stopfen und ihrer Aufblähung. Eine Oberflächeneinheit 10 ist zum Zuführen eines konstanten elektrischen Stroms in die Heizdrähte 5 ebenfalls vorgesehen.

Das Verhältnis Länge zu Durchmesser der Sonde wird auf
größer als 20 eingestellt, und in der beschriebenen Ausführungsform ist es 200 cm : 5,08 cm (2").

Fig. 2 zeigt ein Beispiel von aus einem verrohrten Bohrloch gemessenen Daten. Das umgebende Gestein besteht aus Ton. Die Heizzeit lag bei etwa drei Stunden, und das Probenintervall betrug 10 Sekunden. Streuung in den Daten machte numerisches Glätten und Interpolation erforderlich, und die Berechnung der Neigung der geraden Linie wurde mit einem Verfahren zum Einsetzen kleinster Quadrate über ein Zeitintervall von etwa zwei Stunden hinweg durchgeführt. Die Anpassung wurde als bemerkenswert gut befunden. Zu Vergleichszwecken wurden im Laboratorium Dauerzustandsmessungen mit Kernproben aus Gestein ausgeführt, die in der gleichen Tiefe entnommen worden waren. Der in situ gefundene Wert lag im Bereich von etwa t 10% des Laboratoriumswertes.

Für Ton waren die Ergebnisse: Thermische Leitfähigkeit λ(in situ)

= 1.80 W/mK +10%

Thermische Leitfähigkeit /V(Laboratorium)

= 1 .88 W/mK 19%

1300S2/QS89

-/■'■

Die mit der erfindungsgemäßen Sonde erhaltenen Ergebnisse waren wegen der guten Übereinstimmung zwischen Laboratoriums-Daten und den in - situ - Werten sehr ermutigend.

Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens können wie folgt zusammengefaßt werden:

(i) Die Sonde hat eine einfache mechanische Konstruktion,

sie ist daher für Feldanwendungen geeignet; (ii) die Sonde kann angepaßt werden, so daß sie sehr einfach

in Bohrlöcher mit verschiendenen Durchmessern paßt; (iii) Messungen sind sowohl in verrohrten als auch in nicht

verrohrten Bohrlöchern möglich; (iv) die mit diesem Verfahren erhaltenen Werte stellen durchschnittliche Wä'rmeleitfähigkeitswerte dar, die über einer großen Gesteinsmenge entnommen wurden;

und
(v) diese Werte werden in den gleichen räumlichen Ausmaßen wie der Temperaturgradient gemessen.

130052/0839

Claims

Patentansprüche

, \J Sonde zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ihrer Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine längliche Heizvorrichtung (5), die in ein Bohrloch (1) eingesetzt werden kann; einen Temperaturfühler (6) zum überwachen der Temperatur von die Heizvorrichtung umgebender Flüssigkeit; und Mittel (3,4) aufweist, die an jedem Ende der länglichen Heizvorrichtung elastisch in die Wände eines Bohrlochs eingreifen, in das die Sonde eingesetzt ist, um ein Flüssigkeitsvolumen um die Heizvorrichtung herum zurückzuhalten.
2. Sonde nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffsmittel ein Paar aufblasbare Ringwülste aufweisen.
3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) zum Umrühren der die Heizvorrichtung umgebenden Flüssigkeit vorgesehen sind.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Verhältnis von der Länge zum Durchmesser des Flüssigkeitsvolumens , das durch die Eingriffsmittel um die Heizvorrichtung herum zurückgehalten werden kann, grosser als 20 ist.

13Ö062/06ÖÖ
5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Heizvorrichtung eine elektrische Heizung ist.
6. Verfahren zum Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit von ein wassergefülltes Bohrloch umgebendem Gestein, gekennzeichnet durch Versenken einer Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in das Bohrloch; Betätigen der Eingriffsmittel, um ein Wasservolumen um die Heizvorrichtung herum zurückzuhalten; wahlfreies Umrühren des zurückgehaltenen Wassers, um thermische Schichtung desselben gering zu halten; Aufheizen des zurückgehaltenen Wassers mittels der Heizvorrichtung auf einen konstanten Energieverbrauch; und überwachen des Grades des Temperaturanstiegs des zurückgehaltenen Wassers mit Hilfe des
Temperaturfühlers.

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