Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie -Forschungsbohrung Groß Schönebeck

1. Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck Von Charlotte Hoblitz, 4. Semester RE²

2. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Gliederung • Standort Groß Schönebeck • Das Projekt: In situ Geothermielabor Groß Schönebeck • Reservoircharakterisierung • Langzeit-Pumptest • Stimulationsexperimente • Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac • Geophysikalische Untersuchungen • Bohrlochmessungen • Energieverfahrenstechnik • Zusammenfassung & Ausblick

3. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Standort: Groß Schönebeck

4. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck 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

5. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

6. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Das Projekt: In situ-GeothermielaborGross Schönebeck 2000-2001 Erschließung, Öffnung, Vertiefung der Bohrung 2001 Charakterisierung Ausgangszustand (Primärtest) 2002 Erste Stimulation in der Sandsteinschicht: Stützmittelfrac Langzeitpumpversuch 2003 Stimulation von Sand- und Vulkanitgesteinen mittels Wasserfracs 2002-2003 Untersuchungen während der Stimulation 2005 Bohrung einer neuen über 4000 m tiefen Bohrung Danach Kommunikationsexperiment 2007 Stimulation der neuen Bohrung und Leistungstests 2011 Errichtung eines Forschungskraftwerk Wärme: 10 MW, Strom: 0,75 MW Wasserfrac

7. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Reservoircharakterisierung • Ermittlung einer konkreten Vorstellungen der Struktur und Durchströmeigenschaften • Hauptwasserzufluss aus den Vulkaniten • Erstmals hydraulischer Nachweis eines Risses an der Bohrung

8. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

9. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Stimulationsexperimente • 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) Offenes Bohrloch

10. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Stimulationsexperimente 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

11. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Stimulationsexperimente • 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

12. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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*bar • Nicht als Förderbohrung geeignet • Ziel erreicht aber nicht im ausreichenden Maße

13. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

14. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

15. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 Energieverfahrenstechnik • 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 • 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)

16. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

17. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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

18. Von Charlotte HoblitzGeothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13 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