Folgen mangelhafter Ringraumabdichtungen bei Erdwärmesonden

Transkript

1 Folgen mangelhafter Ringraumabdichtungen bei Erdwärmesonden Vortrag von Prof. Dr. habil. Christoph Treskatis 1

2 Gliederung 1. Was ist eigentlich dicht? 2. Einflussfaktoren auf die Ringraumabdichtungen 3. Großenordnungen des Massentransportes und Durchströmungszeiten 4. Folgen undichter / wegsamer Ringraumabdichtungen bei Erdwärmesonden 5. Nachweisprobleme der Ringraumverfüllmassen 6. Schlussfolgerungen 2

3 1. Was ist eigentlich dicht? Dichtheit bzw. Dichtigkeit ist eine Eigenschaft von Materialstrukturen gegenüber einem Stoff, wie z.b. Wasser Dichtheit ist ein relativer Begriff. Es gibt keine absolute Dichtheit von Material bzw. Materialverbünden Eine Dichtheitsdefinition ist immer verbunden mit einer gegebenen Rahmenbedingung: z.b. ist eine Rohrleitung dicht gegenüber unkontrollierten Wasseraustritten bei einem zulässigen Innendruck und einer damit verbundenen Leckrate Der Dichtheitsbegriff ist daher immer bezogen auf eine Gesamtkonstruktion ( System ) und der Qualitätseigenschaften des konstruktiven und materiellen Aufbaus. Die Dichtigkeitsprüfung umfasst daher sowohl den Nachweis des Materials in situ, der Materialstruktur sowie deren Verbindungen zum abzudichtenden Gesamtsystem 3

4 Undichtigkeit eindeutig und zweifelsfrei belegbar und qualitativ messbar 4

5 Nachweis der Dichtigkeit? Folgen? 5

6 2. Einflussfaktoren auf Ringraumabdichtungen: Einflüsse auf die Systemdurchlässigkeit von Verfüllmassen Materialeigenschaft über und unter dem Grundwasserraum (Tonpellets vs. Verpressmassen) Aufschluss- und Mischungsprozeduren auf der Baustelle (Geräte und Materialien bei Verpressmassen) Wasser-/Feststoffverhältnis (Verpressmassen) Verfüll-/Verpressvorgang (Reibung im Bohrloch, Gerätetechnik) Konzentration und Beladung der Bohrsuspension mit Polymeren (z.b. CMC; Spülungsaustausch wird in der Praxis bei EWS nicht durchgeführt ) Langzeiteigenschaften der Verfüllung 6

7 Modellvorstellung zum Einfluss der Viskosität der Suspension auf die Systemdurchlässigkeit Die Reibung hochviskoser Suspensionen an der Bohrlochund Rohrwandung lässt die Mischfront im zentralen Querschnitt des Ringrams schneller aufsteigen 7

8 Entwicklung der Suspensionsdichten der Versuchsbrunnen 1 bis 5: gestrichelte Linie: Ausgangsdichte im Mischer; durchgezogene Linie: Dichte im Rücklauf; Pfeil: erkennbarer Farbumschlag beim Verpressen 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 VB Zeit nach Verpressbeginn in min 1,7 VB 3 1,7 VB 2 1,5 1,5 1,3 1,3 1,1 1,1 0, Zeit nach Verpressbeginn in min 0, Zeit nach V erpressbeginn in min 1,7 VB 4 1,9 VB 5 1,7 1,5 1,5 1,3 1,3 1,1 1,1 0, Zeit nach Verpressbeginn in min 0, Zeit nach Verpressbeginn in min 8

9 3. Großenordnungen des Massentransportes und Durchströmungszeiten Massenaustausch in einem Bohrloch bei verschiedenen Gradienten 100,000 10,000 Volumenstrom [m³/a] 1,000 0,100 0,010 0,001 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 Durchlässigkeit des Rinraums [m/s] I=1 und r=0,15m I=5 und r=0,15m I=10 und r=0,15m 9

10 Fließgeschwindigkeit im Ringraum , ,0 Abstandsgeschwindigkeit [m/a] 1000,0 100,0 10,0 1,0 0,1 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 Durchlässigkeit des Ringraums [m/s] I=1 und nsp=0,05 I=10 und nsp=0,05 I=1 und nsp=0,01 I=10 und nsp=0,01 10

11 Fließzeiten im Ringraum bei L=10 m 1,E+02 1,E+01 1,E+00 1 Jahr für 10 m Fließzeit [a/10m] 1,E-01 1,E-02 1,E-03 1,E-04 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 Durchlässigkeit im Ringraum [m/s] I=1 und nsp=0,05 I=10 und nsp=0,05 I=1 und nsp=0,01 I=10 und nsp=0,01 11

12 4. Folgen instabiler Abdichtungssuspensionen Quelle: Peter Mielenz, GWE 12

13 Abgrenzung der möglichen Wirkbereiche Wassergesättigter Grundwasserraum des Aquifers mit Kurzschlüssen und Leckagen zwischen den Teilstockwerken Natürliches Leakage zum Liegenden oder zum Hangenden gerichtet Oberflächennahe Bodenzone, ungesättigte Zone mit Sickerwassertransport entlang präferenzieller Fließwege entlang gestörter Bodenbereiche Sickerwege in Funktion der Matrixpotenziale 13

14 Kurzschlussströmung im Brunnen: aufsteigendes Grundwasser 14

15 Kurzschlussströmung im Brunnen: absteigendes Grundwasser 15

16 Warum kommt es zu der raschen Verlagerung von Keimen aus der ungesättigten Zone in die gesättigten Zone? Prof. Dr. habil. C. Treskatis 16

17 Mögliche Ursachen für eine Verzögerung bzw. eine Beschleunigung der Verlagerung von Störstoffen aus der ungesättigten Zone Die Fließgeschwindigkeit des Sickerwassers variiert von Schicht zu Schicht (Mikro- und Makroporenraum). Die gelösten und suspendierten Stoffe und Partikel (z.b. auch Mikroorganismen) müssen die Körner umfließen; in den Poren wirken zusätzliche Kräfte auf das Wasser und halten es je nach Porengröße zurück. Auf dem Weg vom Boden über die ungesättigte Zone entsteht im Grundwasserraum ein Mischsystem mit alten und jungen Stoffeinträgen. Das Grundwasser speichert alle Signale, die nur durch das Verhältnis zwischen Zu- und Abfluß in ihrer Stärke verändert werden. Eine natürliche Bodendeckschicht retardiert in den meisten Fällen den Transport von Störstoffen, vor allem von partikulären Substanzen wie Mikroorganismen Bei Bodenstörung liegen im Untergrund aber sehr heterogene Verhältnisse vor, die den Transport fördern oder verzögern können Prof. Dr. habil. C. Treskatis 17

18 Relevanz der Undichtigkeiten in der ungesättigten Zone C. Treskatis und G. Zimmer (ewp 04/2013) Prof. Dr. habil. C. Treskatis 18

19 Eingabe in einem Brunnen Prof. Dr. habil. C. Treskatis 19

20 Tracergasnachweise in der Zone I Prof. Dr. habil. C. Treskatis 20

21 Verbreitungsmuster Tracergas Prof. Dr. habil. C. Treskatis 21

22 Isochronen Tracergasausbreitung Prof. Dr. habil. C. Treskatis 22

23 Vergleich: oberflächennahe Bodenstörungen bei Bohrbrunnen und EWS-Feldern Prof. Dr. habil. C. Treskatis 23

24 Schema zu den möglichen Wirkbereichen von unerwünschten Wegsamkeiten im Ringraum von EWS Ungesättigte Zone Gesättigte Zone Abb. ohne Maßstab! 24

25 Oberflächennaher Wirkbereich von Undichtigkeiten: Potenzielle Wegsamkeiten für Sickerwässer im Umfeld der EWS Setzungen im Bohrloch nach Verpressen bei Suspensionen mit zu hoher Wasserabgabe Trasse der EWS-Anschlüsse 25

26 26

27 5. Nachweisprobleme bei Ringraumverfüllmassen in der gesättigten Zone Quelle: Houben & Treskatis (2012) 27

28 Nachweismöglichkeit bei Brunnen und Grundwassermessstellen: Geophysikalische Bohrlochmessungen (Gasmigrationtests) Quelle: Houben & Treskatis (2012) 28

29 Kontrolle von EWS und deren Ringraumverfüllung war bisher problematisch Gründe: 29

30 Quelle: blm Storkow 30

31 Quelle: blm Storkow 31

32 Quelle: blm Storkow 32

33 6. Schlussfolgerungen: Anforderungen an die Verfüllung Es ist eine sachgemäße Verfüllung zu gewährleisten, weil eine sichere Anbindung an das Umgebungsgestein erfolgen muss, um den Wärmetransport vom Gestein an das Wärmeträgermedium zu sichern und umgekehrt bei Wärmeeinspeisung in den Untergrund der Eintrag von Schadstoffen aus der ungesättigten und gesättigten Zone verhindert werden muss durchbohrte Grundwasserleiter oder unterirdische Zone mit unterschiedlichem hydraulischem Potenzial gegeneinander abgedichtet werden müssen, um einen Kurzschluss zu vermeiden Schrum pfkappe Injektionsrohr U-Rohr (HDPE) Prof. Dr. habil. C. Treskatis 33

34 Hinweise zu Materialanforderungen bei der Abdichtung von Ringräumen mit Verfüllmassen Keine Wechselwirkungen mit dem Gestein (Geophysikalischen Messungen sind keine Absolutmessungen Ausnahme: Magnetiklog bei Zugabe von magnetischen Markern in die Verpressmasse!) Zweifelsfreie Nachweisbarkeit im Ringraum (Existenz, Dichtigkeit gegenüber Fremdströmungen und Kurzschlüssen in der ungesättigten und gesättigten Zone ) Ausreichende Festigkeit im Bohrloch Geringst mögliche Wasserabgabe und Schrumpfung (in der ungesättigten Zone: Austrocknung, Schrumpfung nicht nur bei Tonpellets ; in der gesättigten Zone keine Schrumpfung zu erwarten Schwindverhalten bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsgraden muss beachtet werden; Spaltbildung zum EWS-Rohr ) Druckprüfung: Lösung des Dilemmas: Erstarrung der Suspension nach 24h (standfest) und Festigkeit erreicht erst nach >28d Prof. Dr. habil. C. Treskatis 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Anschrift des Verfassers: Prof. Dr. habil. C. Treskatis Prof. Dr. habil. Christoph Treskatis apl. Professor am IWAR der TU Darmstadt c/o Bieske und Partner Beratende Ingenieure GmbH Im Pesch 79 D Lohmar Tel.: 0049-(0) ; Fax: