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Temperatur

Weltkarte der maximalen Aquifertemperaturen. Quelle: Elsevier
Temperaturen in Deutschland in 3.000 m Tiefe. Quelle: Agemar.

Die Temperatur gemessen in einer Bohrung im Ruhezustand (keine Spülungs-Zirkulation) ist einer der wichtigsten Parameter in der Geothermie. Wirkliche Formationstemperaturen stellen sich erst nach längerer Zeit (Monate) ein, da die gesamte Bohrungsumgebung durch den Bohrvorgang (Spülungsumlauf) abgekühlt wurde. Temperaturen werden daher oft aus kürzeren Zeitreihen extrapoliert. Meist werden Temperaturen am Bohrlochtiefsten (bottom hole temperatures, BHT) angegeben. Sie können sich erheblich von Temperaturen am Bohrkopf (well head temperatures, WHT) unterscheiden. Aus Temperaturmessungen in aktuell genutzten Bohrungen (Förderung, Reinjektion) lassen sich Formationstemperaturen nicht unmittebar ableiten.

Maßeinheit

°C für T; K für Temperaturdifferenz; K m-1 für grad T

Definition

Der Temperaturgradient ist die Temperaturzunahme pro Teufenabschnitt.

Bestimmung

In-situ-Messungen in Bohrungen

Methoden

Korrekturverfahren zur Ermittlung von ungestörten Gesteinstemperaturen (z. B. aus BHT-Werten; BHT = Bottom Hole Temperature) 

Sekundäre Parameter für Korrekturverfahren

Wertebereich

In Deutschland liegt der Temperaturgradient im Mittel bei 28–30 K km-1. Die mittlere Temperatur T0 an der Erdoberfläche in Deutschland beträgt 8,2 °C (niedrigster Wert an der Zugspitze = - 4,8 °C). Die höchste Temperatur Tz in einer deutschen Bohrung wurde mit 253 °C in 9063 m Tiefe (KTB Oberpfalz) ermittelt.

Innerhalb des Geothermie-informationssystems (GeoTis) des Leibniz-Institutes für Ange­wandte Geophysik steht eine Datenbank mit der Möglichkeit der Berechnung von Unter­grundtemperaturen zur Verfügung, die Temperatur-Informationen aus ca. 10.000 Tiefboh­rungen in Deutschland enthält. Es handelt sich dabei um:

  • ungestörte Temperaturlogs: kontinuierliche Messungen der Temperatur mit der Tiefe
  • gestörte Temperaturlogs: kontinuierliche Messungen der Temperatur mit der Tiefe, die durch Bohrvorgang, Zementation oder hydraulische Zirkulation gestört sind

Lagerstättentemperaturen

Sie liegen aufgrund regelmäßiger, langjähriger Kontrolle von Förderbohrungen als umfangreiche Messwertreihen von bis zu 100 Einzelwerten vor; die Schwankungsbreite dieser Temperaturwerte liegt überwiegend unter 1 K, so dass sie in der Regel zu einem Temperatur-Messwert zusammengefasst werden können.

Testtemperaturen

  • Temperaturmessungen bei Fördertests, Drill Stem Tests o. ä.; korri­gierte Auslauftemperaturen.
  • Bottom Hole Temperatures (BHT): BHT-Messungen werden in fast allen Industrie­bohrungen im Bohrlochtiefsten, unmittelbar nach Einstellen der Bohrarbeiten, ausge­führt und sind durch den Bohrvorgang (Spülungsumlauf) thermisch gestört; eine Kor­rektur (Extrapolation) dieser BHT-Werte auf ungestörte Temperaturen ist möglich, da im Bohrlochtiefsten der störende Einfluss des Spülungsumlaufs auf das Temperaturfeld am geringsten ist; in Abhängigkeit von der Stillstandszeit nach Bohrende, der Spülungsdauer (Spülungsumlauf) und der Anzahl der für jede Tiefe zur Verfügung stehenden Tempera­turwerte werden unterschiedliche Korrekturverfahren angewendet.
  • Einzelpunktmessungen aus Bergwerken und Tunneln

Temperaturprognosen

Temperaturdaten von Bohrungen sind u.a. die so genannten Bottom-Hole-Temperatures (BHT), welche während der normalen geophysikalischen Bohrlochmessung erfasst werden (Maximalthermometer für den jeweiligen Bohrlochabschnitt). Darüber hinaus gibt es Temperaturverlaufsmessungen, welche in der Regel 1 bis 10 Tage nach Abschluss der Bohrarbeiten realisiert werden. Es ist davon auszugehen, dass die Daten die natürlichen Temperaturverhältnisse noch nicht vollständig wiedergeben, da sie noch durch die mit dem Bohrvorgang verbundene Spülungszirkulation gestört sind. Die Spülung kühlt den unteren Bereich der Bohrung aus und nimmt dabei selbst Wärme auf, die sie oberhalb einer neutralen Tiefe (Pivot-Punkt bzw. Cross-Over-Point) an das Gestein abgibt. Die gemessenen Temperaturen oberhalb des Pivot-Punktes sind also meist höher und die unter dem Pivot-Punkt tiefer als die wirklichen Formationstemperaturen.

Die Zeit bis zum Erreichen des ungestörten Zustandes in der Bohrung hängt vor allem von der Dauer der Temperaturstörung, der Bohrtiefe und weiteren Parametern (z.B. Differenz der Temperatur von Spülung und Formation) ab (Lotz 2004)1. Numerische Korrekturen der Temperaturprofile sind nur sehr eingeschränkt möglich, da hier genaue Informationen zu Bohrungs- und Spülungsaktivitäten benötigt werden (Lotz (2004)1. In Anlehnung an die Arbeit von Förster (2001)2 lässt sich das Temperaturprofil oberhalb des so genannten Cross-Over- bzw. Pivot-Punktes dadurch abschätzen, dass der Pivot-Punkt mit einer Temperatur von 8 – 10 °C (mittlere Temperatur an der Erdoberfläche) verbunden wird. Die Temperatur am Cross-Over-Punkt spiegelt zudem den mittleren geothermischen Gradienten wider. 

Sind keine Temperaturverlaufsmessungen vorhanden, können synthetische Temperaturverläufe auf Basis von geophysikalischen Bohrlochmessungen berechnet werden. Fuchs & Förster (2014)3 entwickelten empirische Formeln, um die thermische Leitfähigkeit auf Basis verschiedener Bohrlochlogs (Gamma Ray - GR, Dichtelog, Sonic Log, Wasserstoffindex, photoelektrischer Faktor) vorherzusagen. Später wurde dieses Konzept auf die Berechnung von thermischer Diffusivität und spezifischer Wärmekapazität erweitert (Fuchs et al. 2015)2. Die Genauigkeit der Vorhersage hängt von der Art der verwendeten Logs und der Anzahl der kombinierten Logs ab, wobei insbesondere Dichtelog, Sonic Log und Wasserstoffindex (Neutron-Neutron-Log) sehr gute Ergebnisse liefern. In älteren Bohrungen vor ca. 1985 sind diese jedoch oft unkompensiert gemessen worden (Budach et al. 2014)4 und daher für Berechnungen nicht nutzbar. 

Literatur

https://www.geotis.de/homepage/sitecontent/info/publication_data/public_relations/public_relations_data/LIAG_Broschuere_Tiefe_Geothermie.pdf

Bedard, Karine; Raymond, Jasmin; Malo, Michel; Konstantinovskaya, Elena; Minea, Vasile: St. Lawrence Lowlands Bottom-Hole Temperature: Various Correction Methods, Geothermal Resources Council Transactions (2014)

Crowell, Anna M.; Ochsner, Aaron T.; Gosnold, Will: Correcting Bottom-Hole Temperatures in the Denver Basin: Colorado and Nebraska, Geothermal Resources Council Transactions (2012)

Gudni Axelsson, Thorsteinn Egilson, Sigrídur Sif Gylfadóttir: Modelling of temperature conditions near the bottom of well IDDP-1 in Krafla, Northeast Iceland. In: Geothermics Nummer 49 (2014), S. 49-57

Haby SALAHELDEEN, Mohamed ABDEL ZAHER, Mahmoud M. SENOSY: Geothermal Gradients in the Northern Western Desert, Egypt as Deduced from Bottom-Hole-Temperature and Aerogravity Data, World Geothermal Congress (2015)

Lam, H, F. Jones!and J. Majorowicz: A statistical analysis of bottom-hole temperature data in southern Alberta. In: Geophysics Nummer 50 (4) (1985), S. 677-684

Lotz, B.: Neubewertung des rezenten Wärmestroms im Nordostdeutschen Becken.- Scientific Technical
Report STR 04/04, (2004), 1-226. 

Meddleton, M., F.: Bottom-hole temperatute stabilization wih continued circulation of drilling mud. In: Geophysics Nummer 47 (1982), S. 1716-1723

Morgan, Paul; Scott, Brian: Bottom-Hole Temperature Data from the Piceance Basin, Colorado: Indications for Prospective Sedimentary Basin EGS Resources, Geothermal Resources Council Transactions (2011)

Wolfgramm,Markus, Ingmar Budach, Kerstin Nowak, Jens Zimmermann: Bewertung des Fündigkeitsrisikos bei geothermischen Bohrungen im Norddeutschen Becken. In: DGK (2017)

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder  Konferenzdatenbank.

Einzelnachweise

  1. Lotz, B.: Neubewertung des rezenten Wärmestroms im Nordostdeutschen Becken.- Scientific Technical
    Report STR 04/04, (2004), 1-226. Fuchs, S. & Förster, A.: Well-log based prediction of thermal conductivity of sedimentary successions: a case study from the North German Basis, Geophys. J. Int., 196, (2014), 291-311. 
  2. Förster, A.: Analysis of borehole temperature data in the Northeast German Basin, continuous logs versus bottom-hole temperatures. In: Petr. Geosc. Nummer 7 (2001), S. 241-254
  3. Fuchs, S., Balling, N., Förster, A.: Calculation of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity of sedimentary rocks using petrophysical well logs, Geophys. J. Int., 203, (2015), 1977-2000. 
  4. Budach, M., Wolfgramm, M., Franz, M.: Abschätzung der Porosität mesozoischer Sandsteine aus bohrlochgeophysikalischen Altdaten. .- Proceedings of Geothermiekongress from 11.11.-13.11. 2014 in Essen(Germany), (2014), eingereicht: 1-12, extended abstract.