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Reinhold Waldfogel
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1 Viel Wasser in großen Tiefen Neue Experimente in der kontinentalen Tiefbohrung KTB Erzinger,, J., Kümpel,, H.-J., Shapiro,, S. & KTB-VB Science Team Kolloquium, Fundamentalstation Wettzell, Folien Foto: M. Kühr

2 - Einführung - Massiver Pumptest - Massiver Injektionstest Foto: KTB Projektleitung, Hannover

3 KTB = Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland Voruntersuchungen: Bohrphase: Tiefenlabor: zur Zeit Energie- und Fluidtransport in kontinentalen Störsystemen: 2002

4 KTB VB & HB KOLA SG-3

5 Foto: K.C. Schulze

6 K. Bram, 1995 KTB 119 C 265 C Vorbohrung / Pilot Hole Hauptbohrung / Main Hole Kola Superdeep 180 C

7 KTB VB KTB HB 200 m 4000,1 m unverrohrt > 3850 m Foto: KTB-Projektleitung, Hannover (1994) 9101,0 m unverrohrt > 9031 m

8 Besonderheiten von KTB : Exzellente Datenbasis, in Qualität und Quantität Zwei Bohrungen in unmittelbarer Umgebung (200 m Abstand) Zwei größere Störsysteme in 4,0 km und +/- 7,2 km Tiefe

9 KTB HB Geology of KTB site (Hirschmann, 1993)

10 Geology of KTB site (Hirschmann, 1993) 3D pre-stack Kirchhoff migration (Buske, 1999) SW 0 FL KTB NE 5 SE 1 SE 2 z [km] y [km]

12 Zu den größten Überraschungen gehörten Antreffen mobiler Fluide in weit höherem Maße als erwartet moderate Erhöhung des Porendrucks löst Schwarm von Mikrobeben aus Fähigkeit des Kristallins, Fluide zu speichern und zu transportieren, ist erstaunlich hoch... diesbezüglich wurden die Möglichkeiten der Lokation vor 2002 erst marginal ausgeschöpft

13 Neues Programm : KTB (Förderung im DFG-Schwerpunktprogramm ICDP) ENERGIE- UND FLUID- TRANSPORT IN KONTINENTALEN STÖRSYSTEMEN

14 KTB Wichtigste experimentelle Ziele : Testen eines kontinentalen Stör- systems auf der Kilometer-Skala Skala... mit (1) Gewinnung unkontaminierter Fluide (2) kontrollierter Erzeugung unterschiedlicher Typen von (3) Mikroseismizität geophysikalischer Abbildung von Störsystemen unter erhöhtem Porendruck (4) Vertikale geothermale Zirkulation (Option)

15 ... allgemeinere Aspekte: Neue, authentische In-situ-Felddaten zum besseren Verständnis von Grundwasservorkommen in kristalliner Kruste Mechanismus von Erdbeben Gewinnung von geothermischer Energie Risiken bei der Entsorgung kritischer Abfälle...

16 - Einführung - Massiver Pumptest - Massiver Injektionstest Foto: KTB Projektleitung, Hannover

17 Vorversuch: Salzwasser als Tracer zur Abschätzung hydraulischer Parameter W. Gräsle, W. Kessels Phase 1: Salzwasser im offenen Bohrlochabschnitt wird ersetzt durch Einfüllen von Süßwasser (5 m³) Phase 2: Detektion von Klüften durch Verfolgen des Ansteigens der Salzwasserfront nach kurzem Anpumpen (0,5 m³)

18 Vorversuch: Salzwasser als Tracer zur Abschätzung hydraulischer Parameter W. Gräsle, W. Kessels Phase 2: Detektion von Klüften durch Verfolgen des Ansteigens der Salzwasserfront nach kurzem Anpumpen (0,5 m³) Untergrenze der Salzwassersäulen markiert Lokation von Klüften

19 1 jähriger Pumptest : Gewinnung und Analyse unkontaminierter Fluide, Ergiebigkeit? + 1 Jahr Erholungsphase 1 jähriger Injektionstest : 1 jähriger Injektionstest : kontrollierte Seismizität, Fluidverlust? + 1 Jahr Erholungsphase Monitoring : - Geochemie - Druckverlauf - Seismizität - Temperaturfeld - Fluidtransport - Mikrobielles Leben (tiefe Biosphäre) - 3-D Geoelektrik - Oberflächendeformationsfeld -... andere

20 1300 m Tubing ( 2 3/8 ) 3/8 ) Foto:

21 Tauch- pumpe (21,3 PS) Foto:

22 Druck- sonde unter der Pumpe Foto:

23 Massive hydraulische Tests KTB-VB KTB-HB Juni 2002 Juni 2003 Pumptest ( m 3 ) Juli 2003 Mai 2004 Erholungsphase S. Kuhlmann

24 Messungen Druck, Temperatur, Fließen, Chemismus Druck, Seismizität KTB-VB KTB-HB Elektr. Widerstand, Seismizität, seismische Reflektivität, tiefe tiefe Biosphäre S. Kuhlmann

26 58 l/min aus 4 km Tiefe Foto: S. Grüneberg, GGA-Inst. (11/2002)

27 1 Jahr Pumptest VB a-priori Okt Schätzung Juni 2003 Permeabilität 3 x m 2 2 x m 2 max. Absenkung 1000 m 605 m Förderrate 20 l/min 58 l/min Gesamtförderung m m 3 Gasgehalt 800 l/m l/m 3 Spezialpumpe in Tiefe 1300 m 1284 m (installiert: 10. Juni, 2002)

28 Micro earthquake near borehole geophone BG250 (Depth: 3.9 km, inside KTB- HB) G. Asch sampling rate: 1 khz travel time p-s: 80 msec distance: ca. 500 m magnitude: ca. -1.8

29 Änderung des Pegelstandes in der KTB HB, Sept Dez Pegelstand t.o.c. [mm] S. Kischkies et al.

30 - Einführung - Massiver Pumptest - Massiver Injektionstest Foto: KTB Projektleitung, Hannover

31 Massive hydraulische Tests KTB-VB KTB-HB Juni Juni Mai Injektionstest Pumptest ( ( m 3 ) 3 ) Juli Juni Mai jetzt 2004 Erholungsphase S. Kuhlmann

32 Messungen Druck, Temperatur, Fließen, Chemismus Druck, Seismizität KTB-VB KTB-HB Elektr. Widerstand, Oberflächendeformation, Seismizität, seismische Reflektivität, Tracertests S. Kuhlmann

33 Injektionspumpe oben KTB-VB 200 m KTB-HB cased 0 to 3850 m Förderpumpe bei 1284 m cased 0 to 9031 m unverrohrt 3850 bis 4000 m Eintritt Ausfluss Ausfluss Eintritt größere Leckage ~ 5550 m Tiefe unverrohrt 9031 bis 9101 m

34 1 jähriger Pumptest : Gewinnung und Analyse unkontaminierter Fluide, Ergiebigkeit? + 1 Jahr Erholungsphase 1 jähriger Injektionstest : kontrollierte Seismizität, Fluidverlust? + 1 Jahr Erholungsphase Monitoring : - Geochemie - Druckverlauf - Seismizität - Temperaturfeld - Fluidtransport - Mikrobielles Leben (tiefe Biosphäre) - 3-D Geoelektrik - Oberflächendeformationsfeld - hoch auflösende Seismik - Tracertests

35 neue Injektion SE2 induzierte Microseismizitä t aus früheren Tests SE1 seismische Reflektore n

36 KTB KTB-VB Injektionstest Pumpen- container mit Wasser- zuleitung Injektions -einlass (rechts)

37 Pumpen- system KTB-VB Injektion

38 Drei- kolben- pumpe KTB-VB Injektion

39 Karl Bohn, Serge Shapiro, Miel Kühr (v.l.n.r.)

40 Korrosion des Temp.- sonden- kabels KTB-VB

41 Online- Datener- fassung KTB-VB Injektion

42 Fluidinjektione n bei KTB Mikro- Mikro beben beben ~ 5 ~ [ m³ ] 1994: 1994: m³, m³, HB HB 2000: 2000: m³, m³, HB HB 2002/03: 2002/03: m³, m³, VB VB 2004/05: 2004/05: m³, m³, VB VB Menge / /05

43 KTB Lokales seismisches Netz } Geophon Geophon in in HB HB G. Asch, J. Kummerow (2004) sec

44 KTB KTB SHAPIRO et al., 2006 N KTB-HB KTB-VB KUMMEROW, J., 2004

45 Pegelstandsmessung in in der der KTB-HB Auffülltest Pump aus Start der Injektion Pegelstand t.o.c. [mm] Pump an Pumpe aus Zeit J. Wilke et al.

46 200 Pegelstand in HB [ m ] Juli 2002 Sept Start Start des des VB- VB- Pumptests Pumptests (1. (1. Phase) Phase) Auffüll- Auffülltest test in in der der HB HB Messung in KTB-HB Simulation (FEFLOW) Tape reading Pressure tool Ende Ende des des VB- VB- Pumptests Pumptests Seismizität Seismizität startet startet Sept Sept HB HB läuft läuft über über Start Start der der VB- VB- Injektion Injektion (2. (2. Phase) Phase) W. Kessels, S. Kuhlmann, X. Li (2005) Shut-in Shut-in Test Test HB HB Ende Ende der der VB- VB- Injektion Injektion Zeit

47 Wichtigste Ergebnisse: Störzone SE2 ist nahezu offenes hydraulisches System Permeabilität ist rel. hoch; nimmt durch Abkühlung zu Entnahme von Gebirgsfluid hat Kruste stabilisiert

48 Wie geht es weiter? Tests in der 7,2 km tiefen SE1 Störzone (ist tiefer und ausgeprägter) Fluidzirkulationtests entlang 4 km tiefer SE2; zwischen VB und perforierter HB KTB wird geschlossen

49 Dank für erhebliche Fördermittel durch Deutsche Forschungsgemeinschaft & GeoForschungsZentrum Potsdam Foto: M. Kühr, 08/2003

50 ENDE Foto: M. Kühr (11/2004)

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