Geothermische Kennzahlen aus Analysen von Labor- und Bohrlochmessdaten aus NRW

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Annika Thomas
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Lockersedimente der Niederrheinischen Bucht Festgesteine des Rheinischen Schiefergebirges

1 Geothermie - NRW Bochum, Geothermische Kennzahlen aus Analysen von Labor- und Bohrlochmessdaten aus NRW Lockersedimente der Niederrheinischen Bucht Festgesteine des Rheinischen Schiefergebirges Renate Pechnig, Juliane Arnold, Darius Mottaghy Geophysica Beratungsgesellschaft mbh Andreas Koch, Rachel Jorand, Christoph Clauser RWTH Aachen, E.ON Energy Research Center

Deutschland Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Phase 1: FKZ

2 Das Forschungsvorhaben Erstellung statistisch abgesicherter thermischer Gesteinseigenschaften für den flachen und tiefen Untergrund der Bundesrepublik Deutschland Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Phase 1: FKZ Westliche Molasse, Schwäbische Alb Phase 2: FKZ Niederrheinische Bucht, Rhein-Ruhr-Gebiet, Ostmolasse

3 Motivation und Zielsetzung Integrierte Datenanalyse Bereitstellung von statistisch repräsentativen Kennwerten Modell - Eingangsparameter Erdwärmesonden Reservoirmodelle

4 Übersicht der Bohrungen in NRW Explorations- und Forschungsbohrungen: Tertiäre Sedimente und paläozoisches Grundgebirge

5 Kernmaterial und Datenherkunft Kernmaterial und Bohrlochmessdaten aus Archiven, Forschungsbohrungen, Altbohrungen des Steinkohlebergbaus und aktuellen Explorationsbohrungen im Braunkohletagebau Geologischer Dienst NRW RAG Deutsche Steinkohle AG RWE Power AG Kernlager GD NRW

6 Arbeitsbereiche RWTH Aachen Applied Geophysics and Geothermal Energy Messungen an Gesteinsproben Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Kompressionswellengeschwindigkeit Roh- und Reindichte Porosität Geophysica Beratungsgesellschaft mbh Digitalisierung und Analyse von Bohrlochmessdaten Lithologie, Tongehalt Porosität aus Logs Kern-Log Integration Wärmeleitfähigkeitsprofile Wärmeproduktionsrate Bei externen Laboratorien: Gaspermeabilitäten Mineralogische und chemische Analytik (RDA, RFA) Quecksilberporosimetrie P-T abhängige Wärmeleitfähigkeitsmessungen

7 Kern - Scanner Wärmeleitfähigkeits - Scanner mit fokussierter Hitzequelle Messung hochauflösender Profile entlang eines Kerns. λ [W m -1 K -1 ] Messdurchgang 1 Messdurchgang Messstrecke [mm]

8 Einzelmessungen an Lockermaterialen Linienquelle / Halbraumquelle zur Wärmeleitfähigkeitsmessung

9 Niederrheinische Bucht (Tertiär) Erkundungsbohrung der RWE Power AG am östlichen Rand des Tagebaus Hambach Endteufe ~ 740 m umfasst nahezu die gesamte Sequenz tertiärer Lockersedimente in der Niederrheinischen Bucht Probenmaterial: Sande und Tone SW Rur-Scholle Erft-Scholle Kölner Scholle 0 0 Düren Rurrand- Verwerfung Erftsprung- System Ville NE m 0 10 km Vortertiärer Untergund Oligozän u. Miozän Braunkohle der Hauptflözgruppe Pliozän Pleistozän nach Geol. Landesamt NRW (1988)

10 Petrophysik - Tertiäre Sedimente Sedimentkerne im Liner: Ton (oben und Sand (unten) Statistische Maßzahlen Tabellarische Übersichten und Histogramme zu den Hauptgesteinstypen

11 Kern-Log Integration Korrelation zwischen Gamma Ray, Wärmeleitfähigkeit und Quarzgehalt

12 Logs - Tertiär Ergebnisse Logauswertung Porosität aus Dichtelog Wassersättigung aus Widerstandsmessungen Ton-, Sandanteile aus GR Berechnung der Wärmeleitfähigkeit über das geometrische Mittel: mit Matrixwerten aus den Laboruntersuchungen

13 Übertragung auf andere Bohrungen Ergebnis: Statistische Kenngrößen für thermische Parameter einer lithostratigraphischen Einheit Informationen zur vertikalen und lateralen Variation.

14 Gesteinsproben Paläozoikum 231 Proben aus 18 Bohrungen; Abdeckung verschiedener stratigraphischer Einheiten des Devons und Karbons

e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e WLF und Dichtemessungen an Cuttings 12 8 Frequency 4 8 0 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.

15 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e WLF und Dichtemessungen an Cuttings 12 8 Frequency Matrix Density (g/cm³) 10 Thermal Conductivity (W/m/K) 6 4 Frequency Matrix Density (g/m³) Thermal Conductivity (W/m/K) Dijkshoorn and Pechnig, 2007

Gesteinsproben Karbon TONSTEIN SANDSTEIN Volumetrische

16 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e Gesteinsproben Karbon TONSTEIN SANDSTEIN Volumetrische Wärmekapazität Sand- und Tonsteine aus dem Oberkarbon Explorationsbohrung der RAG

17 e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e WLF Porosität (Paläozoikum gesamt) 6 λd [W m-1 K-1] 4 Limestone Sandstone Siltstone Claystone Claystone-calcareous 2 λ geo Sandstone (λ m = 4.86 W m -1 K -1 ) λ geo Claystone (λ m = 3.64 W m -1 K -1 ) λ geo Limestone (λ m = 3.32 W m-1 K -1 ) λ geo Siltstone (λ m = 3.4 W m-1 K -1 ) λ geo Claystone-calcareous (λ m = 3.27 W m-1 K -1 ) Φ [-] Streudiagramm der Wärmeleitfähigkeit (trockene Proben) gegen die archimedisch bestimmte Porosität für Gesteine des Paläozoikums

e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e WLF Porosität (nur Oberkarbon) 5 5.271 4 4.985 λd [W m-1 K-1] 3 4.131 4.298 3.974 5.

18 e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e WLF Porosität (nur Oberkarbon) λd [W m-1 K-1] Φ [-] Sandstone Pelkum λ geo Sandstone (λm = 5 W m -1 K -1 ) Relation zwischen Wärmeleitfähigkeit und Porosität ist im Oberkarbon stark abhängig von der Matrixwärmeleitfähigkeit des Gesteins. Gesteine mit ähnlicher Matrixwärmeleitfähigkeit lassen über das geometrische Mittel gut beschreiben.

19 e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e WLF - Gesteinsmatrix λm [Wm-1K-1] 4 λm [Wm-1K-1] Quartz [%] Limestone Sandstone Siltstone Claystone Claystone-calcareous Clay Minerals [%] ~ 100 RDA Analysen

20 e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e Spez. Wärmekapazität - Gesteinsmatrix

21 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e Logs aus dem Oberkarbon Gamma Depth Resistivity Density Velocity Caliber GR (GAPI) DEPTH (M) Res () RHOB (G/C3) DT (US/M) CALI Typisches Beispiel für ein Compositelog aus einer Explorationsbohrung. 900 Westfalium (Bochum Formation) Kohle: Niedrige Dichte Niedrige Vp

22 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e Logananalyse Lithologie Litho_core Gamma Depth Resistivity Density Velocity GR (GAPI) DEPTH (M) Res (OHMM) RHOB (G/C3) DT (US/M) Kohle 560 Kohle Kohle Kohle Typische Logkurven beim Auftreten von Kohleflözen (schwarz), die in Wechsellagerung mit Sandsteinen (gelb), Siltsteinen (grau) und Tonsteinen (braun) auftreten.

23 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e Log Analyse - Porosität Porosität aus Dichte-Logs mit Reindichten aus Laboruntersuchungen Logporositäten von bis zu 12 % werden von Labaoranalysen an Sandsteinkernen bestätigt

24 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e Wärmeleitfähigkeits Profile λ m Sandstein 4,86 W/m/K λ m Tonstein 2,4 W/m/K λ m Kohle 0,7 W/m/K

25 e PhyEig sikalis ensch che aft mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e P-T- Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit Ergebnisse der druckabhängigen Wärmeleitfähigkeitsbestimmung an Sandsteinen, Tonsteinen und Karbonaten des Devons und Karbons

26 e PhyEig sikalis ensch che aft Bohr turm mitb ohrl och- M eswa gen Ve rohru ng Boh rloch Me skab el Sond e mes ung Porositäts- Permeabilitätsbeziehungen

27 Zusammenfassung Bereitstellung von statistischen Kennzahlen für geothermisch relevante Eigenschaften von Lockergesteinen und Festgesteinen in NRW. Informationen zu Druck- und Temperaturabhängigkeit thermischer Parameter. Geothermische Charakterisierung von stratigraphischen Einheiten - vertikale und lateralen Variationen. Verknüpfung von thermischen und hydraulischen Eigenschaften mit Lithologie, Mineralogie und Fazies. Verbesserte Eingabeparameter für numerische Modelle.

e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e Das Ergebnis Wir bedanken uns für die Förderung des Vorhabens beim

28 e mitb ohrl ochmes ung Bohr turm M eswa gen Ve rohru ng PhyEig sikalis ensch che aft Boh rloch Me skab el Sond e Das Ergebnis Wir bedanken uns für die Förderung des Vorhabens beim Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Für die Unterstützung und Bereitstellung von Daten und Proben aus NRW danken wir RWE Power AG RAG Deutsche Steinkohle und dem Geologischen Dienst NRW

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