Methoden zur Minderung von Bohrlochausfällen in der Höhe

Das von EU Horizon 2020 finanzierte GeConnect-Projekt zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit des Bohrlochbaus von Geothermiebrunnen in Hochtemperaturumgebungen zu erhöhen.

Die Kosten für die Errichtung und Bohrung geothermischer Brunnen zur Kraft-Wärme-Kopplung und Fernwärme betragen häufig etwa 40–50 % der Gesamtinvestitionskosten der Energieerzeugung. Die hohen Kosten für das Bohren von Bohrlöchern erfordern eine hohe Produktionskapazität und Langlebigkeit, um ein solides Geschäftsmodell für das Geothermiekraftwerk zu generieren.

Studien haben gezeigt, dass der am häufigsten auftretende Fehlermechanismus bei Hochtemperatur-Geothermiebrunnen eine mechanische Überlastung des Futterrohrstrangs im Bohrloch aufgrund eingeschränkter Wärmeausdehnung ist, die zum Zusammenbruch oder Zugversagen des Futterrohrs führen kann. Darüber hinaus ist bei Geothermiebohrungen mit mittlerer Enthalpie bekannt, dass Temperatur- und Druckzyklen über 100 Grad Celsius während der Bohr-, Fertigstellungs-, Betriebs- und Verschlussphase die Integrität des zementierten Ringraums erheblich beeinträchtigen können.

Das Konzept neuer flexibler Kupplungen besteht darin, diese axiale Wärmeausdehnung geothermischer Gehäusestränge während der Produktion und des Einschlusses zu kompensieren. Das Konzept wurde im Rahmen der von der EU finanzierten Horizon 2020-Forschungsprojekte GeoWell und DEEPEGS entworfen und Prototypen hergestellt. Zwei Patente wurden bereits erworben. Prototypen wurden auf Funktionalität getestet, insgesamt 8 Prototypen in voller Größe von 9? und 13? Gehäusedurchmesser in zwei Drittlaboren. Die Gleitfunktion und die Wiederholbarkeit des Gleitens wurden getestet. Die strukturelle Festigkeit wurde durch Bestimmung der Zugfestigkeit geprüft.

Ziel des laufenden GEOTHERMICA-Projekts GeConnect ist es, dieses Konzept einem realistischen Betriebsszenario einen Schritt näher zu bringen. Ein maßstabsgetreuer Prototyp (Abbildung siehe unten) der flexiblen Kupplung wird unter realen Arbeitsbedingungen getestet sowie kontrolliert abgeschaltet und im Notfall im Betrieb abgeschreckt. Zusammen mit der neuen flexiblen Kupplung werden die Integrität der Zementhülle und die Zement-Metall-Grenze durch die Simulation thermischer Wechselbelastungen bei mittleren (<100 °C) bis hohen Temperaturen (~300 °C) bewertet. Dazu wird eine 9 5/8″ flexible Kupplung an einem 12 m langen Mantelrohr befestigt und in eine 13 3/8″ Außenhülle einbetoniert. Geothermischer Dampf aus einem in Betrieb befindlichen Hochtemperaturbohrloch wird durch das 9 5/8″-Gehäuse gespült, um die Bedingungen im Bohrloch anzunähern. Folgender Prüfablauf ist vorgesehen:

Der Aufbau wird mit modernsten elektrischen und faseroptischen Sensorgeräten ausgestattet, um das Funktionsprinzip sowie die Integrität des zementierten Anulus zu überwachen und zu validieren. Mögliche Auswirkungen und Risiken im Zusammenhang mit der Verwendung der neuen flexiblen Kupplungen werden durch Strukturmodellierung des Oberflächentests, Strukturmodellierung eines mit flexiblen Kupplungen ausgestatteten Geothermiebrunnens und durch Durchführung einer quantitativen Risikobewertungsanalyse bewertet.

Strukturanalysen werden verwendet, um die Leistung flexibler Verbindungen zu bewerten und die Vorteile der Reduzierung thermischer axialer Spannungen und Dehnungen in Gehäusen durch die Einführung der neuen flexiblen Kupplung für die Bohrlochintegrität aufzuzeigen.

Partner von ÍSOR, TNO, GFZ, Landsvirkjun, HS Orka und ON Power freuen sich auf den geplanten Feldtest in Island im Oktober 2020.

Quelle: Per E-Mail eingesandt, Website des GeConnect-Projekts