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Left: The Nesjavellir Geothermal Power Plant in ÃŽingvellir, Iceland (Foto: Gretar Ãvarsson, 2006; via wikimedia)
Right: Well-log based prediction of rock thermal conductivity (Fuchs & Förster, 2013)

Im Rahmen des Verbundvorhaben GeoEnergie-Forschung (GeoEN), einem regionalen Forschungsnetzwerk, bestehend aus der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus (BTU ), der Universität Potsdam (UP) und dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, promovierte ich im Forschungsfeld der Regionalthermischen Explorationsgeologie (Kernthema Reservoirgeologie). Ziel meiner Arbeit war die Bestimmung petrophysikalischer (thermischer) Gesteinsparameter geothermisch bedeutender, geologischer Formationen des Känozoikums und Mesozoikums im Norddeutschen Becken (1) auf der Grundlage von Laboruntersuchungen und (2) unter Nutzung neu eintwickelter Prognosemethoden, basierend auf der Interpretation von geophysikalischen Bohrlochmessungen.

Dieser Artikel gibt ihnen eine kurze Einführung in die Thematik meiner Dissertation.

Bestimmung der Gesteinswärmeleitfähigkeit aus geophysikalischen Standardbohrlochmessungen im Norddeutschen Becken


Betreuung:

Originaltitel:

Well-log based determination of rock thermal conductivity in the North German Basin

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OPUS Universität Potsdam

Allgemeinverständliche Zusammenfassung:

Die Temperatur des Untergrundes ist eine wichtige Kenngröße für viele Nutzungsarten des unterirdischen Raumes. Sie ist entscheidend, wenn es um die Gewinnung geothermischer Energie zur Wärme− und Stromerzeugung geht, spielt aber auch an anderer Stelle eine entscheidende Rolle, beispielsweise bei der Lagerstättenbildung von Erdöl und Erdgas sowie bei der Standortauswahl zur sicheren Endlagerung radioaktiver Abfälle. Der Temperaturgradient, also die Veränderung der Temperatur mit der Tiefe, ist über den aus dem Erdinneren gerichteten Wärmefluss proportional an die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine gekoppelt. Diese Gesteinseigenschaft steuert zusammen mit dem Wärmefluss maßgeblich die Temperaturverteilung im Untergrund. Entsprechend wichtig ist die präzise Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gesteinstypen und −schichten, beispielsweise für die Eingabe reali-tätsnaher Eigenschaften in Computermodelle, welche zur Abschätzung des Temperaturverhaltens bei verschiede-nen eingangs erwähnten Nutzungsarten zum Einsatz kommen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der gesteinsspezifischen Wärmeleitfähigkeit mesozoi-scher Sedimentgesteine des Norddeutschen Beckens auf verschiedenen Skalen. Dazu gehört u.a. (1) die Labormes-sung der Wärmeleitfähigkeit an Bohrkernproben, (2) die Bewertung und Verbesserung vorhandener mathemati-scher Modelle (sogenannte Mischmodelle) zur Berechnung vom Matrix- und Gesamtwärmeleitfähigkeit mittels statistischer Methoden und (3) die Entwicklung neuer Methoden zur Berechnung von Wärmeleitfähigkeitsprofilen auf Basis von häufig in Tiefbohrungen durchgeführten geophysikalischen Messungen, ebenfalls mittels statistischer Methoden. Mit Abschluss dieser Arbeit kann eine große Anzahl neuer Wärmeleitfähigkeitswerte präsentiert werden, welche nunmehr sowohl für einzelne Gesteinstypen (kleine Skala), für ganze geologische Formationen (mittlere Skala), als auch für ganze Bohrlochabschnitte (große Skala) vorliegen. Die Methodenevaluierung lässt statistisch abgesicherte Aussagen zur Zuverlässigkeit verschiedener Mischmodelle zu. Darüber hinaus führt für solche Art geothermischer Berechnungen die Anwendung neu entwickelter Korrektur- und Konvertierungsverfahren zu einem deutlich redu-zierten Fehler. Neue empirische Berechnungsformeln erlauben in sedimentären Becken die Bestimmung von Wärmeleitfähigkeitsprofilen entlang kompletter Tiefbohrungen, ohne dass aus diesen Gesteinsproben vorliegen müssen. Die neuen Berechnungsformeln weisen darüber hinaus im Verhältnis zu bereits publizierten Methoden anderer Autoren eine Reihe Vorteile auf, etwa dass diese auf das komplette Spektrum möglicher Sedimentgesteine anwendbar sind. Schlussendlich erlaubt der Einsatz dieser Methode die Berechnung von künstlichen Bohrlochtem-peraturprofilen, welche im Vergleich zu real gemessenen Bohrlochtemperaturen erstaunlich geringe Abweichungen zeigen (< 5%). Die präsentierten Messergebnisse und die neu entwickelten Methoden liefern künftig die Datengrundlage für detailliertere Computermodelle zur Berechnung der Temperaturverteilung im Untergrund. Ein verbessertes Ver-ständnis dieser Temperaturverteilung ist dabei Grundvoraussetzung für die effizienten Erkundung, Erschließung und Nutzung unterirdischer Wärmeressourcen, auch im Norddeutschen Becken.

Wissenschaftliche Zusammenfassung / Abstract:

In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin's thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hy-drocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian sandstone, Rhaethian-Liassic Complex, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m·K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m·K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m·K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The "corrected" geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. In literature, several formulations are given to estimate thermal conductivity based on well-log data. However, they all show the typical limitations of statistically derived empirical prediction equations that limit such application to specific geological formations (represented by specific rock compositions) from which rock samples are implemented in the analysis. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools (i.e., gamma ray, density, sonic interval transit time, hydrogen index, and photoelectric factor). By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 5 to 11%, without being affected by the limitations mentioned above. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models, helping to understand the thermal structure of sedimentary basins in general and of the North German Basin in particular.

Fachartikel zur Thematik:

1Well-log based prediction of thermal conductivity of sedimentary successions: examples from the North German Basin
Fuchs, S., Förster, A. (2014) − Article
2Evaluation of common mixing models for calculating bulk thermal conductivity of sedimentary rocks: Correction charts and new conversion equations
Fuchs, S.; Schütz, F.; Förster, H.-J.; Förster, A. (2013) − Article
3Well-log based determination of rock thermal conductivity in the North German Basin
Fuchs, S. (2013) − Thesis
4Rock thermal conductivity of Mesozoic geothermal aquifers in the Northeast German Basin.
Fuchs, S.; Förster, A. (2010) − Article

Eine Übersicht über alle Publikationen finden sie hier.