Tiefbohrungen in der Schweiz: Zukünftige Herausforderungen für Erdwissenschafter und Ingenieure

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Caroline Pfaff
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1 Tiefbohrungen in der Schweiz: Zukünftige Herausforderungen für Erdwissenschafter und Ingenieure Simon Löw Benoit Valley, Keith Evans, Martin Ziegler Professur für Ingenieurgeologie, ETH Zürich, Schweiz Simon Loew Chair of Engineering Geology ETH Zuerich, Switzerland Contributors Giovanni Barla & Marc Diederichs Tokyo University August 31, 2011 Photo: Alptransit Gotthard Basistunnel Einleitung

2 Road Map Geplante Tiefbohrungen in der Schweiz und ihre Erkundungsziele: Erkundungsbohrungen für Tiefenlagerstandorte SGT Etappe 3 Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für Erdgas Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für petrothermale Energie Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für hydrothermale Energie Beispiele erdwissenschaftlicher Untersuchungen in zukünftigen Tiefbohrungen Bohrkernanalysen und hydraulische Durchlässigkeit Geometrie von Trennflächensysteme In-situ Spannungen Stimulation präferenzieller Fliesswege Einleitung

3 Tiefbohrungen für Geologische Tiefenlager: 5-10 (?), gekernt, bis 1000 m (vorgeschlagene Standortgebiete der Nagra für Etappe 3) Für «einschlusswirksamen Gebirgsbereich»: - Tiefenlage und Mächtigkeit - Transport-Eigenschaften - Felsmechanische Eigenschaften Für das Standortgebiet: - Geotechnische Eigenschaften - Rohstoffvorkommen Tokyo University August 31, 2011 Bohrziele

4 Geo-Energie Schweiz 2014 Engineering Geology Petrothermale Tiefbohrungen: 2-4, zerstörend, bis 5000 m (vorgeschlagene Gebiete der Geo-Energie Schweiz 2014) «Pilotbohrungen»: - In-situ Spannungen - Lage, Verteilung und Geometrie von Trennflächen - Mechanische Gesteins-Eigenschaften - Präferenzielle Wasserfliesswege und Gebirgsdurchlässigkeiten - Zonale Stimulation (Injektionsprotokoll, seismisches Risiko) - HTC Eigenschaften des stimulierten Wärmetauschers Tokyo University August 31, 2011 Bohrziele

5 Hydrothermale Tiefbohrungen: 2-4 (?), zerstörend, bis 1400 m (ursprüngliche Planung, überholt) - Lage, Verteilung und Geometrie von wasserführenden Strukturen - Hydraulische Gebirgsdurchlässigkeiten - Grundwasser-Zirkulationssysteme - Thermische und geochemische Eigenschaften des Reservoirs Tokyo University August 31, 2011 Geothermie.ch 2015 Bohrziele

6 Erdgas Explorationsbohrungen: 5, zerstörend, bis 3500 m Tiefe (Vorgeschlagene Gebiete der PEOS-SEAG AG Mai 2014) Hydraulische Durchlässigkeit Speichereigenschaften Charakterisierung der Fluide Tokyo University August 31, 2011 Thierrens VD Dommartin VD Sullens VD Vuarrens VD Rapperswil BE Gareauxforages.ch 2015 Bohrziele

7 Erkundungsziele, Stimulation und Nutzung geplanter Tiefbohrungen in der Schweiz Erkundung von Gesteins- und Gebirgseigenschaften Erhebung von strukturgeologischen Informationen Erhebung von Zustandsbedingungen Stimulation von petrothermalen Reservoiren Stimulation von hydrothermalen Reservoiren Fracking von Schiefergas-Vorkommen (?) Produktion von Wärme und Strom Produktion von Erdgas- und Erdöl Tokyo University August 31, 2011 (Injektion von CO2) Bohrziele

8 Road Map Geplante Tiefbohrungen in der Schweiz und ihre Erkundungsziele: Erkundungsbohrungen für Tiefenlagerstandorte SGT Etappe 3 Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für Erdgas Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für petrothermale Energie Erkundungs- und Produktions-Bohrungen für hydrothermale Energie Beispiele erdwissenschaftlicher Untersuchungen in zukünftigen Tiefbohrungen Bohrkernanalysen und hydraulische Durchlässigkeit Geometrie von Trennflächensysteme In-situ Spannungen Stimulation präferenzieller Fliesswege Einleitung

Bohrkernanalysen für Zugangsbauwerke & Tiefenlager

9 NTB14-02 /II/VI Bautechnische Erkundung (Rampe, Schacht, Tiefenlager) Sicherheitstechnische Erkundung Tiefenlager Bohrkernanalysen für Zugangsbauwerke & Tiefenlager Engineering Geology Trennflächensysteme Verkarstung Lithostratigraphie,

10 Hydraulische Tests und petrophysikalisches Logging ZH NO Druckverlauf Packertest O7: NTB 08-04, 00-01

11 Strukturanalyse aus Geophysikalischen Logs (Basel BS-1) Prinzip des akustischen Televiewers Geophysikalische Logs und Sonden Weatherford Total Gamma Ray (TGR) Spectral Gamma Ray (SGR) Monopole-Dipole Array (MDA) Spectral P e density (SPeD) 2-arm caliper (Kal) Schlumberger Total Gamma Ray (TGR) Ultrasonic Borehole Imager (UBI) Caliper from UBI (CSA) Ziegler et al Valley 2007

12 UBI Bildkorrektur (a,b) und Analyse von natürlichen und Bohr-induzierten Trennflächen (c,d) in Basel BS-1 Tokyo University August 31, 2011 Ziegler et al. 2015

13 Engineering Geology Cluster-Analyse der natürlichen Trennflächen in Basel BS-1 Ziegler et al. 2015

$Verteilung & Frequenz der natürlichen Kluftfamilien in Basel-1 Relatively constant mean fracture$

14 Verteilung & Frequenz der natürlichen Kluftfamilien in Basel-1 Relatively constant mean fracture frequency of 0.3 frac/m below 3.0 km Set 1 fractures dominate in the open hole section below 4.64 km

15 Abschätzung der Spannungsorientierung und Magnitude aus Bohrlochrandausbrüchen in Basel BS-1 Breite des Ausbruchs 2 b ist eine Funktion von: 2 b Spannungskomponenten am Bohrlochrand: Sv,Shmin,SHmax,Pw, Pp, S DT Tokyo University August 31, 2011 Valley & Evans 2015 Fernfeld-Spanungen Effekte v. Fluid-Drucken Gesteinsfestigkeit Thermische Spannungen

16 Tiefenabhängige Breite der Bohrlochrandausbrüche BS-1 81% (1.9 km) der Logging-Strecke zeigt Bohrlochrandausbrüche Die mittlere Breite beträgt 79 und nimmt mit der Tiefe systematisch ab. Valley & Evans 2015

17 Valley & Evans 2015 Engineering Geology Berechnung der maximalen Horizontalspannung SHmax

18 Lokalisierung und hydraulische Charakterisierung von präferenziellen Wasserfliesswegen (Bohrung BS-1) Tokyo University August 31, 2011

19 Stimulation: Injektionsrate als Funktion des Injektionsdrucks und der Tiefe in Basel BS-1 Nicht-lineare Zunahme der Fliessrate (und Kluftpermeabilität) ab einem Differenzialdruck von 15 MPa: Kluftscherung und Dilatanz und/oder thermomechanischer Effekt durch Kühlung der Kluftoberfläche Tokyo University August 31, 2011

20 Ausblick Für die Periode sind eine grössere Anzahl neuer Tiefbohrungen geplant. Die Bohrungen erreichen Tiefen zwischen 1000 und 5000 m und werden meist zerstörend gebohrt. Die Erkundungsmethoden sind sehr vielfältig und erfordern spezialisierte Kenntnisse in Bohrtechnik, Kernanalyse, Mud Logging, Analyse der Bohrspülung, Analyse von geophysikalischen Logs, Produktionstests und Packer Tests. Produktionsbohrungen erfordern oft eine Stimulationen; für petrothermale Systeme sind entsprechende Technologien Gegenstand laufender grosser Forschungsprojekte. Ausblick

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