Temperaturmessungen in Bohrungen

Die Messung der Gebirgstemperatur hat insbesondere bei der Erkundung von Standorten für die Einlagerung Wärme entwickelnder Abfälle eine große Bedeutung. Als ein die geologische und geotechnische Erkundung begleitendes Untersuchungsprogramm verfolgt die Ermittlung der Gebirgstemperaturen folgende Ziele:

• Die Bereitstellung einer Referenzdatenbasis des thermalen Ausgangszustands bzw. dessen Änderung aufgrund der Errichtung und des Betriebs des Grubengebäudes.
• Die Bereitstellung von Eingabedaten für thermische und thermomechanische Modellrechnungen zum Nachweis der Langzeitsicherheit bzw. zur Validierung der entsprechenden Modelle.
• Beiträge zur Erkundung des Aufbaus der Salzstrukturen.
• In Ausnahmefällen die Erkennung bzw. genaue Lokalisierung von Flüssigkeits- oder Gaszutritten in Bohrlöchern.

Die Messung von Temperaturen in fluidgefüllten Bohrungen gehört zu den klassischen Bohrlochmessverfahren, häufig in Kombination mit Sensoren zur Erfassung der Salinität des Bohrlochfluids (SalTemp). Geologische Erkundungsbohrungen im Untertagebereich sind häufig horizontal (oder geneigt) und üblicherweise trocken. Dies stellt eine besondere Herausforderung dar.  Messungen ausschließlich in der Luftsäule einer Bohrung erreichen nicht die notwendige Genauigkeit, da häufig aufgrund der schlechten Wärmeleitungseigenschaften von Luft noch kein thermisches Gleichgewicht zwischen Luftsäule und Gebirge besteht. Für Temperaturmessungen in trockenen Bohrungen wurde an der BGR eine spezielle Messsonde (s. Abbildung 1) entwickelt, bei der drei sehr schnell reagierende Temperaturfühler (Platin-Widerstands-Sensoren) mechanisch an die Bohrlochwand angedrückt werden. Zusätzlich wird die Lufttemperatur mittels eines zentralen Fühlers aufgezeichnet. Die Messung erfolgt nicht mehr kontinuierlich, sondern schrittweise, weil thermische Störungen, die durch Reibungseffekte beim Vorschub der Sonde entstehen, abklingen müssen.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau der Temperatursonde für trockene Bohrungen Quelle: BGR

In Abbildung 2 ist ein Beispiel einer Temperaturmessung in einer Erkundungsbohrung im Salinar gezeigt. Deutlich zu erkennen ist ein Temperaturunterschied zwischen dem zentralen Luftfühler und dem Mittelwert der Wandfühler von etwa 0,5 K, der durch ein noch nicht erreichtes thermisches Gleichgewicht zwischen Luftsäule und Gebirge verursacht wird. Daneben ist ein abkühlender Einfluss durch die Bewetterung des Bohrortes bis in eine Bohrlochteufe von 80 m zu beobachten, danach erreichen die Temperaturkurven ein stabiles Plateau.

Abbildung 2: Beispiel einer Temperaturmessung in einer Erkundungsbohrung im Steinsalz Quelle: BGR

Die BGR verfügt über einen weiteren Sondenkopf ausschließlich für fluidgefüllte Bohrungen (nur ein zentraler Temperaturfühler), mit dem in Kombination mit einer Winde Bohrungen bis 1000 m Teufe vermessen werden können.

Aktuelle Entwicklungen:

Weiterentwicklung der Steuer- und Darstellungssoftware