Erdwärme: Neue Methode zur Orientierungsmessung und Richtbohrung

KARLSRUHE, 27.03.2017 – Forscher haben sich damit beschäftigt, wie man kostengünstig den Rückbau und das Wiederherstellen von Erdwärmesonden realisieren kann. Ihre Lösung: ein Miniatursensor, der eine Verlaufs- bzw. Orientierungsmessung vornimmt.

von Olaf Ukelis, Roman Zorn, Jens Friderich, Hagen Steger, Philipp Linder, Simeon Meier und Frank Burkhardt*

Grafik Rückbaukonzept
Schematischer Ablauf eines möglichen Rückbaukonzeptes | Grafik: EIFER

Die zukünftige Entwicklung im Marktbereich der Erdwärmesonden ist essentiell von geeigneten Strategien für einen sicheren, effizienten und kostengünstigen Rückbau insbesondere von problembehafteten Sonden abhängig. Deshalb ist es sinnvoll, innovative und kostengünstige Methoden zu entwickeln, die einen effizienten Rückbau sowie eine komplette Sanierung, d.h. einen Wiedereinbau von Erdwärmesonden ermöglicht.
Rückbau- und Sanierungsverfahren sollten möglichst so günstig sein, dass praktisch jeder Nutzer, aus welchen Gründen auch immer, seine Erdwärmesonden ggf. zurückbauen kann. Technische und damit aufwendige Rückbauverfahren stehen jetzt schon bedingt zur Verfügung (Überbohren mit großen Bohrdurchmessern, aufwendige Richtbohrverfahren während des Bohrens). Aber nur kostengünstigere Verfahren haben das Potenzial, flächenhaft angewendet zu werden.

1. Lösungsansatz

Ein Miniatursensor soll erlauben, in bestehenden und neu installierten Erdwärmesonden eine einfache und kostengünstige Verlaufs- bzw. Orientierungsmessung durchzuführen. Zudem soll ein einfaches Richtbohrtool eine Korrektur und Ausrichtung gängiger Bohranlagen ermöglichen, so dass auf teure Bohrtechniken und Richtbohrmesstechniken verzichtet werden kann.
Das Bohrlochmesstool soll sukzessive in das überbohrte Erdwärmesondenloch eingeführt werden und den kürzesten Abstand zur Sonde sicher ermitteln. Mit dem kürzesten Abstand soll dann jedes gängige Bohrgerät neu ausgerichtet werden können. Die Abstandsmessung wird ermöglicht durch das Einbringen eines geeigneten Kontrastmittels, welches mit dem eingebrachten Bohrlochmesstool detektiert werden kann, und sie wird durch eine Absolutmessung des Bohrverlaufs mit dem neuen Miniatursensorprinzip unterstützt. In Abb. 1 ist ein möglicher schematischer Ablauf des Rückbaukonzeptes dargestellt.

GEOsniffLoc zur Lagebestimmung von Erdwärmesonden
GEOsniffLoc zur Lagebestimmung von Erdwärmesonden | Abbildung: enOware GmbH

2. GEOsniff Messmolch

Der GEOsniffTP (TP = Temperatur und Druck) Messmolch ist ein miniaturisiertes Sensorsystem in Kugelform, welches durch eine Erdwärmesonde ab der Größe U32 schwimmen kann. Integriert in den Messmolch ist ein präziser Temperatur- und absoluter Drucksensor. Bei einem Messvorgang sinkt der GEOsniff Messmolch durch sein Eigengewicht bis zum tiefsten Punkt der Erdwärmesonde. Umfassende Messreihen zeigten die hohe Präzision der Tiefen-Temperaturmessung (Zorn et al., 2016), die für die unterschiedlichsten Bereiche in der Erdwärmesondentechnik vom Neubau bis zum Dauerbetrieb eingesetzt werden kann (Meier & Zorn, 2016).
Aufbauend auf der GEOsniffTP-Technologie wird im Recover-EWS-Projekt ein neuer GEOsniffLoc Messmolch (Loc = Location) für Sondenverlaufsmessungen entwickelt.
Der erste Prototyp ist noch kabelgebunden, da zuerst die Qualität der Lagebestimmung im Vordergrund stehen sollte und zudem mit der kabelgebundenen Lösung auf Speichersysteme sowie kabellose Übertragungstechniken verzichtet werden kann. Das Sensorsystem wurde aber bereits so entwickelt, dass es später weiter miniaturisiert, energieautark und kabellos betrieben werden kann.
Der GEOsniffLOC Messmolch soll zukünftig als drahtloses Messsystem ähnlich dem GEOsniffTP Messmolch entwickelt und dem Markt zur Verfügung gestellt werden. Bei der Auslegung von Großanlagen können hierzu beispielsweise bei einer ersten Bohrung die Lage vermessen werden und die weiteren Sonden mit einem Sicherheitsabstand eingeplant werden.

3. Bohrlochtoolentwicklung

Es werden zwei Richtungen bei der Entwicklung eines Richtbohrmesstools verfolgt. Bei der ersten Variante soll ein Richtbohrtool immer wieder zur Kontrolle der Bohrrichtung und des Erdwärmesondenabstandes eingeführt werden. Ist dabei der Abstand zur Erdsonde über ein gewisses Limit (abhängig vom gewählten Überbohrdurchmesser), sollen die Messdaten dazu genutzt werden, das Bohrwerkzeug neu zu justieren. Diese Variante wird mit Hilfe der Messungen der Kontrastmitteluntersuchungen derzeit getestet.
Die zweite Variante beinhaltet dass Bestücken eines Richtbohrmesstools mit der gleichen Sensorik, wie sie auch in den miniaturisierten Datenloggern zur Verlaufsmessung eingebaut ist. Damit ist eine Absolutbestimmung der momentanen Bohrausrichtung möglich. Mit dem Vergleich aus der initiellen Sondenverlaufsmessung mit den miniaturisierten Datenloggern und der momentanen Messung kann dann eine Neuausrichtung des Werkzeugs durchgeführt werden.

Magnetische Signalreichweiten von Mischketten aus Stahl (K)- und Magnetkugeln (M), Stahldrahtseilen (SDS-5 & 8) und einer Spannbetonlitze. | Grafik: EIFER

4. Kontrastmittelentwicklung

Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines geeigneten magnetischen Kontrastmittels zum Einbringen in eine rückbaufällige Erdwärmesonde. Es soll während des Rückbauvorgangs die Abstandsmessung der Sonde mittels des geplanten Bohrlochmesstools ermöglichen, um dann anschließend den Bohrkopf für den weiteren Rückbauvorgang neu justieren zu können.
Zur Messung der magnetischen Detektierbarkeit der Kontrastmittel wurden eigens mehrere Prüfstände zur Magnetisierung und Messung entwickelt und aufgebaut.
Die Grafik oben zeigt die magnetischen Signalreichweiten einer Reihe getesteter Kontrastmittel, darunter Mischketten aus Stahl(K)- und Magnetkugeln (M), weiterhin Stahldrahtseile unterschiedlicher Durchmesser (Ø 5 & 8 mm) und eine Spannbetonlitze (Ø 15,7 mm). Gegenübergestellt sind auch die Kosten für die Kontrastmittel für eine Standard 100 m Sonde.
Unter Beachtung von Kosten und Nutzen konnte die Ø 15,7 mm große Stahlbetonlitze als am besten geeignetes Kontrastmittel identifiziert werden.

Kostengegenüberstellung der unterschiedlichen Kontrastmittel für eine Standard 100 m Erdwärmesonde | Grafik: EIFER

5. Felduntersuchungen

Um die Sensortechnik sowie das Rückbaukonzept mittels der Spannbetonlitze zu untersuchen, wurde eigens eine 100 m lange Erdwärmesonde (32er Doppel-U) auf dem Betriebsgelände der Firma Heinz Burkhardt GmbH & Co. KG in Neuweiler gebohrt und eingebaut. Im Foto unten ist die Bohrung nach erfolgter Verfüllung mit Magnetit-dotiertem Zement zu sehen. Das Austreten der cremefarbenen Zementsuspension ist im Bild erkennbar, dabei überdeckt diese den rötlichen Gesteinsaustrag aus der Bohrung, der auf den in der Region anstehenden Buntsandstein hindeutet.
Aktuell wird an der Sonde die Sensortechnik getestet und weiterentwickelt. Abschließend soll dann ein Rückbau der Erdwärmesonde mit der Spannbetonlitze durchgeführt werden. Hierzu wird die Litze durch das Bohrgestänge und den Bohrkopf in einen Strang der Erdwärmesonde eingelassen und einzementiert. Nun kann der Überbohrvorgang beginnen, wobei die Spannbetonlitze quasi als „Führung“ dient, um die Bohrung immer direkt entlang der rückbaufälligen Sonde niederzubringen. Falls die Spannbetonlitze abreißen sollte, wäre es immer noch möglich, diese über das magnetische Signal zu detektieren und so die Bohrung weiterhin korrekt auszurichten.

6. Zusammenfassung

Es wurden unterschiedliche Materialien auf Ihre Anwendbarkeit als Kontrastmittel zur Orientierungsmessung in Erdwärmesonden untersucht. Dabei konnte bis dato eine Spannbetonlitze als am besten geeignet identifiziert werden. Zudem sind erste Konzepte für Bohrlochtools umgesetzt worden, die diese Kontrastmittel gezielt detektieren können und damit ein manuelles gezieltes Nachjustieren einer Bohranlage prinzipiell ermöglicht werden kann. Mit der entwickelten ersten Generation der Hardware-Lösung zur Verlaufsmessung mittels miniaturisierter Messsysteme kann in Erdwärmesonden eine Lagebestimmung mit in einer Genauigkeit von ca. 0,5% durchgeführt werden. Weitere Entwicklungsschritte und Tests der Sensortechnik, sowie ein Rückbau der 100 m Testsonde sind geplant.

Verfüllung der Erdwärmesonde
Verfüllung der Erdwärmesonde | Foto: EIFER

*Autoren:
Olaf Ukelis / Roman Zorn, European Institute for Energy Research (EIFER), Karlsruhe
Jens Friderich / Philipp Linder / Simeon Meier, enOware GmbH (Karlsruhe)
Hagen Steger, Institut für Angewandte Geowissenschaften, Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)
Frank Burkhardt, Heinz Burkhardt GmbH & Co. KG Geologische und hydrologische Bohrungen


Quellen:
Meier, S., & Zorn, R.: Messdatenerfassung in der Geothermie-Sonde mittels GEOsniff, bbr-Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau, April 2016, 66-79.
Zorn, R., Neuner, F., Friderich, J., Meier, S., & Kauffeld, M.: Miniaturisierte in-situ Druck- und Temperaturmessung in Erdwärmesonde, Zeitschrift Geothermische Vereinigung e.V., 83, (2016), 18-21.
Bundesverband Geothermie e.V. (Hrsg.), Tagungsband „Der Geothermiekongress 2016“ in Essen.