Faseroptische Temperaturmessungen in Bohrungen -Meßmethodik und Ergebnisse- E. Hurtig, S. Großwig, GESO GmbH & Co. Projekt KG, Rheinstr. 3, 14513 Teltow Optische Fasern wirken auf Grund ihrer spezifischen Eigenschaften als thermische Sensoren und ermöglichen eine zeitgleiche Temperaturmessung mit hoher Orts- und Temperaturauflösung über ihre gesamte Länge (s. u.a. Großwig und Hurtig, 1998). Der Übergang von Messungen mit Temperaturfühlern an diskreten Punkten zu einer verteilten Sensorik mit zeitgleichen Messungen ist ein fundamentaler Fortschritt in der Temperaturmesstechnik und eröffnet auch für Temperaturmessungen in Bohrungen ganz neue Möglichkeiten. Das Temperatursensorkabel kann dabei in dem Ring- raum permanent installiert oder in eine offene Bohrung bzw. ein Steigrohr temporär eingehängt werden, so dass die Temperaturverteilung zu jedem beliebigen Zeitpunkt gemessen werden kann. Bei flachen Bohrungen kann ein Messkabel durch mehrere Bohrungen verlegt werden, so dass diese zeitgleich gemessen werden (s. Abb.5). Die Messkabel haben eine sehr lange Standzeit und sind auch aggressiven Wässern gegenüber äußerst resistent. Eine Reihe von Beispielen soll Möglichkeiten der faseroptischen Temperaturmessung in Bohrungen darstellen. Messungen in Grundwassermeßstellen Zur Abdichtung des Bohrloches und zur Abtrennung verschiedener Grundwasserleiter wird Ton (z.b.als Tonpellets) eingesetzt. Der Quellvorgang von Ton (insbesondere Bentonit) ist mit einer positiven Wärmetönung verbunden und führt zu einer deutlichen Störung des Temperaturfeldes in Grundwasserbohrungen. Abb. 1 zeigt als Beispiel Temperaturmessungen in der Bohrung Saf Bit 7/97 in Bitterfeld, in der der Ringraum zur Abdichtung vollständig mit Tonpellets verfüllt wurde. Die Temperatur am 25.03. ca. 7 Tage nach Abteufen der Bohrung liegt bis zu 1 K über der Temperatur an den beiden anderen Messtagen. Abb. 1: Einfluss des Quellvorganges der Tonhinterfüllung 21
Das faseroptische Temperaturmeßverfahren bietet weiterhin erstmals die Möglichkeit, zeitgleiche Temperaturmessungen innerhalb und außerhalb eines Pegels durchzuführen. Abb. 2 zeigt die Ergebnisse für die Bohrung Saf Bit 16/97. Die Temperatur in der Bohrung ist stets höher als die Temperatur in der Hinterfüllung. Dabei handelt es sich nicht um eine einfache Parallelverschiebung, die auf meßtechnische Einflüsse hinweisen würde. Als mögliche Ursache bieten sich Konvektionvorgänge innerhalb des Pegelrohres an (s. Hurtig et al., 1998). Von großer Bedeutung ist die Erfassung der Beziehungen zwischen der Feinstruktur des Temperaturfeldes und bevorzugten Fließwegen. So wurden im Rahmen des Sondermessnetzes der Stadt Halle faseroptische Temperaturmessungen auch in Bohrungen mit artesisch gespanntem Wasser durchgeführt. Abb. 2: Bohrung Saf Bit 16/97: Zeitgleiche faseroptische Temperaturmessungen in der Bohrung und in der Hinterfüllung. Hierzu wurde ein Messkabel beim Einbau der Pegelrohre aussen bis zur Endteufe mitgeführt und damit permanent im Ring- raum installiert. Abb.3 zeigt die Temperatur-Tiefen-Verteilung unmittelbar vor Öffnen des Auslaufes (12:30 Uhr) und bei Abschluss der Messungen (14:29). Die deutlichen Temperaturindikationen (s. Pfeile in Abb. 3) werden durch die Grundwasserfließvorgänge in den einzelnen Grundwasserleitern verursacht. Besonders stark ist der Einfluß des Grundwasserleiters GWL smv4( s1) bei ca. 13 m. Langzeitmonitoring Die Überwachung von Reaktions- und Prozessabläufen erfordert ein Langzeitmoni- toring. Hierzu gehört z.b. die Erfassung und Überwachung exothermer Reaktions- abläufe bei der Sanierung von Altlasten und ehemaliger Braunkohlentagebaue. So wurde auf der Kippe des früheren Tagebaues Cospuden südlich von Leipzig in dem Grundwasserpegel Cospuden 1 ein faseroptisches Messsystem eingebaut. Faseroptische Temperaturmessungen wurden monatlich von Februar 1995 bis Juli 1996 durchgeführt. Der Wasserspiegel in der Bohrung lag zur Zeit 22
Abb. 3: Temperatur-Tiefenverteilung im Ringraum der Bohrung HyHal 11/97 der Messungen bei ca. 13,5 m. Zur detaillierten Untersuchung erfolgte eine Korrektur der saisonal bedingten Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von der Tiefe. Daraus erhält Abb. 4: Faseroptische Temperaturmessungen Grundwasserpegel Cospuden 1.Berechnete Wärmeproduktion in W/m 3 man für die einzelnen Monate jeweils eine Temperaturrestkurve, aus der eine Abschätzung der Wärmeproduktion erfolgen kann, die für die Entstehung der Anomalien erforderlich ist (Abb. 4). Im Teufenbereich zwischen 10 m und 13 m ergibt sich eine Wärmeproduktion von über 0,2 W/m 3. 23
Stoffliche Untersuchungen zeigen, daß in diesem Teufenbereich ein sehr hoher org.c-gehalt mit über 14 Gew. % auftritt. Auch der Sulfidgehalt steigt in diesem Teufenbereich an. Ein weiteres Beispiel zeigt die thermischen Effekte einer durch eine ehemalige Tankstelle kontaminierten Bodenzone am Supermarkt Gosen bei Berlin (Abb. 5 und 6). Deutlich ist der Temperatureffekt im kontaminierten Bereich zu erkennen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Kontaminationszonen zu erfassen und In-Situ-Sanierungsprozesse zu überwachen. Abb. 5: Gleichzeitige Messung in mehreren Bohrungen in einer Kontaminationszone in Gosen bei Berlin (Hurtig, 1994) Faseroptische Temperaturmessungen bieten auch neue Ansatzpunkte für Messungen in verlaufsgesteuerten Horizontalfilterbrunnen zur Erfassung und Überwachung von Sickerwasservorgängen und Leckagen unter Bauwerken. So konnten durch Messungen in einem Horizontalfilterbrunnen wasserführende Linsen in der Böschung eines Braunkohletagebaues erfaßt und lokalisiert werden (Lenze, 1997). Oberflächennahe Geothermie Faseroptische Temperaturmessungen ermöglichen die Erfassung und Überwachung der Temperaturentwicklung beim Ein- und Ausspeisen von Wärme im Innern und in der Umgebung einer Erdwärmesonde. 0 1 2 3 4 5 6 7 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Abb. 6: Faseroptische Temperaturmessungen in einer Kontaminationszone (Verbrauchermarkt Gosen, Hurtig 1994) 24
Es können Zonen mit hohem Wärmetransportvermögen (advektiv/konvektiv) sowohl bei Wärmeausspeisung als auch Wärmeeinspeisung nachgewiesen werden. In Abb. 7 sind diese durch Striche markiert. Abb. 7: Nachweis von Zonen mit hohem Wärmetransportvermögen Erdgasbohrungen: Faseroptische Temperaturmessungen bieten sich für die Erfassung und Überwachung von Leckagen an. Abb. 8 zeigt die Möglichkeiten bei der Lokalisierung von Leckagen in Steig- und Futterrohren von Erdgasbohrungen. Undichtigkeiten werden durch eine deutliche Temperaturabsenkung gegenüber dem normalen geothermischen Gradienten erfaßt. Die entspannungsbedingte Abkühlung läßt sich entsprechend dem Druckgradienten im Ringraum über einen größeren Teufenbereich nachweisen. Weiterhin können die aktuelle Gebirgstemperatur in der Umgebung einer Sonde und der Flüssigkeitsspiegel erfaßt sowie reservoirdynamische Prozesse untersucht werden (Brumlich und Hurtig., 1995). 25
Abb. 8: Nachweis von Leckagen in einer Erdgasbohrung. Temperaturdifferenz gegenüber dem normalen geothermischen Gradienten Schlußfolgerungen und Ausblick Das faseroptische Temperaturmeßverfahren hat sich in der Praxis bewährt. Der Übergang von der Einzelpunktsensorik zu einer verteilten Sensorik eröffnet neue Möglichkeiten insbesondere beim Erfassen und Überwachen von zeitlich veränderlichen Temperaturfeldern in Bohrungen. Der große Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß zeitgleiche Messungen über lange Strecken (Teufen) in einem kurzen zeitlichen Abstand erfolgen können. Damit ist ein Langzeitmonitoring auch in Bereichen möglich, die nach der Installation des Sensorkabels nicht mehr zugängig sind. Die Sensorkabel können in beliebiger Konfiguration (z.b. gleichzeitig durch mehrere Bohrungen) verlegt werden, sie besitzen keinerlei elektrisch aktive Bauelemente, daher ist ein Explosionsschutz von vornherein gegeben. Literatur Brumlich, H. und Hurtig, E. (1995). Faseroptische Temperaturmessungen. Das Gas Medium, Zeitschrift der Verbundnetz Gas AG, 4. Ausgabe: 18-19. Großwig, S. und Hurtig, E. (1998). Die ortsaufgelöste Temperaturmeßtechnik - Leistungsfähigkeit und Anwendungsmöglichkeiten im Umwelt- und Geobereich anhand ausgewählter Beispiele. VDI Berichte 1379: 87-92. Hurtig, E., Großwig, S., Gläßer, W. und Weiß, H. (1998). Faseroptische Temperaturmessungen in Grundwasserbohrungen und Tagebaurestseen. GBL- Grundwassergüteentwicklung in den Braunkohlengebieten der neuen Länder, Bd. 5: 209-215. Hurtig, E. (1994). Verbrauchermarkt Gosen. Aufbau eines faseroptischen Temperaturmeßsystems im Rahmen der Sanierung eines kontaminierten Bodenbereiches. Bericht. Hurtig, E., Großwig, S., Jobmann, M., Kühn, K., and Marschall, P. (1994). Fibre optic temperature measurements in boreholes: application for fluid logging. Geothermics, 23: 355-364. Hurtig, E., Großwig, S. und Kasch, M. (1997). Faseroptische Temperaturmessungen: neue Möglic h- keiten zur Erfassung und Überwachung des Temperaturfeldes an Erdwärmesonden. Geothermische Energie, 5 Nr. 18: 31-34. Lenze, B. (1997). Einsatz verlaufsgesteuerter Horizontalbohrtechnik. Scientific Reports, Mittweida University of Technology and Economics. Vol. III, I: 135-140. 26