Aktuelle Arbeiten an der geothermischen Forschungsbohrung Horstberg Z1

Rühaak, W. (Fachbereich B3.1 Nutzungspotenziale des geologischen Untergrundes): Übersicht und Analogstudien

Schematische Darstellung des Zirkulationsexperiments (BGR, 2017) Quelle: [2]

Das Norddeutsche Becken ist aufgrund seiner Ausdehnung von großer Bedeutung für die tiefe Geothermie in Deutschland. Entscheidend hierfür ist die Entwicklung von geeigneten Erschließungs- und Nutzungskonzepten für die geringporösen, wenig durchlässigen Sedimentgesteine im tiefen Untergrund.
Eine Möglichkeit sie als Wärmetauscher nutzbar zu machen, besteht in der Erzeugung von künstlichen Rissen im Gestein durch das Einpressen von Wasser unter hohem Druck (Wasserfrac).
Weltweit ist die Bohrung Horstberg eine der wenigen Geothermiebohrungen, in der in gering durchlässigem Sedimentgestein ein großflächiger künstlicher Riss geschaffen wurde.
Horstberg Z1 liegt ca. 70 km nordöstlich von Hannover und erschließt in einer Tiefe von ca. 3.700 m die für die Geothermie wichtigen Schichten des Mittleren Buntsandsteins. In den Jahren 2003/04 wurde dort mithilfe einer hydraulischen Stimulation ein großflächiger Riss geschaffen. Die Temperatur des Thermalwassers beträgt in dieser Tiefe ca. 145°C.
In Horstberg besteht die einmalige Gelegenheit, die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften einer künstlich geschaffenen Rissfläche zu untersuchen, Betriebserfahrungen bei deren langfristiger Durchströmung zu sammeln und das Potenzial der geothermischen Erschließung mittels Risserzeugung zu beurteilen.
Über den künstlich geschaffenen Riss, der nachweislich die Buntsandsteinschichten Detfurth und Solling verbindet, ist die Thermalwasserzirkulation in ca. 3.700 m möglich. Kaltes Wasser wird im mittleren Rohr der Bohrung nach unten in den Detfurth-Sandstein gepumpt, erwärmt sich, während es über den Riss zum Solling-Sandstein fließt, und steigt von dort über den Ringraum der Bohrung wieder auf. Übertage kann das Thermalwasser untersucht, genutzt und anschließend wieder verpresst werden.Im Rahmen einer gemeinsam betreuten MSc Arbeit wurden an der TU Darmstadt Messungen an einem 13,3 m langen Bohrkern des Detfurth aus einer ca. 10 km entfernten Nachbarbohrung durchgeführt. Ziel war die Ermittlung petrophysikalischer Kennwerte der Detfurth-Formation und die Untersuchung der Übertragbarkeit auf die Forschungsbohrung Horstberg Z1.

Hehn, V. (Fachbereich B2.3 Grundwasserressourcen - Beschaffenheit und Dynamik): Vorbereitung des Tracer-Experiments, Ermittlung geeigneter Tracer

Am Standort Horstberg sind multiple Tracerexperimente geplant um die vertikale Rissfläche zu charakterisieren, die zwei Sandsteinreservoire des Buntsandsteins über eine Distanz von ca. 150 m miteinander verbindet. Die Stabilität der eingesetzten Tracer ist dabei maßgeblich für den Erfolg der Feldexperimente. Bestehende Untersuchungen berücksichtigen jedoch nicht alle relevanten Faktoren. Die Stabilität der Tracer könnte dabei nicht nur durch die Lagerstättentemperatur und Reaktionen mit Ionen des Formationsfluides beeinflusst sein, sondern darüber hinaus auch durch Reaktionen an reaktiven Mineraloberflächen.
Im Vorfeld der Feldexperimente wird die Stabilität der Tracer daher in Laborversuchen unter in-situ ähnlichen Bedingungen untersucht. Bei den Tracern handelt es sich um sieben organische Fluoreszenztracer (Uranin, Pyranin, Sulforhodamin G, Naphthionat, Amino G Säure, Naphthalindi- und -trisulfonat) und zwei anorganische Salztracer (Lithium, Iodid). Die Tracer werden in kleinen Goldkapseln in Hochdruckautoklaven der Formationstemperatur (150 °C) und erhöhtem Druck (300 bar) ausgesetzt. Die wässrige Lösung ähnelt in ihren Hauptkomponenten der Zusammensetzung des Formationsfluids. Die Hälfte der Proben enthält aufgemahlenes Formationsgestein aus benachbarten Bohrungen. Die Laufzeit des Experiments beträgt mehrere Tage bis Wochen.

Experimenteller Aufbau (BGR, 2017) Quelle: BGR

Hassanzadegan, A. (Fachbereich B3.1): Geomechanik des Buntsandsteins – Studien und Modelle

Der Spannungszustand im norddeutschen Becken wirft viele Fragen auf. Während die Spannungsrichtungen im Rotliegenden ein vergleichsweise eindeutiges Bild ergeben, so ist der Spannungszustand im Buntsandstein deutlich schlechter belegt. Mechanisch ist das Mesozoikum vom Paläozoikum aufgrund des mächtigen Zechsteins entkoppelt. Für den Spannungszustand sind, neben Störungszonen, die Lage benachbarter Salzaufstiegsbereiche von großer Bedeutung. Mittels detaillierter strukturgeologischer Modelle werden die vorliegenden Informationen geometrisch erfasst und in numerische Modelle überführt. Durch eine der Modellierung nachgeschaltete numerische Simulation des geomechanischen Systemverhaltens lässt sich der Einfluss von Förderung und Injektion auf die Risspermeabilität untersuchen. Ebenso lässt sich der Einfluss des Spannungszustands auf die Riss-Orientierung darstellen. Von besonderem Interesse ist hier der Einfluss von Injektion und Förderung auf die Spannungsverteilung im Gebirge und auf die Rissdurchlässigkeit. Dazu werden mittels verschiedener Untergrundmodelle unterschiedliche Betriebszustände thermisch, hydraulisch und poroelastisch gekoppelt simuliert.

Numerisches Reservoirmodell mit Riss und den beiden wichtigsten Formationen. (BGR, 2017) Quelle: BGR