Geothermie-Nachrichten

Von Dipl.-Geol. Karsten Baumann, Bohrlochmessung-Storkow GmbH
Online  seit dem 17.02.2011

Seit Längerem wird von Behörden, aber auch Wasserwerkern eine Verträglichkeit der geothermischen Nutzung des Untergrundes mit den Belangen des Grundwasserschutzes angemahnt. Entsprechende Kontrollmöglichkeiten geothermischer Sonden fehlten bisher, sodass immer wieder Zweifel an deren sachgerechter Abdichtung aufkommen. Dem Wasserwerker war es auch bisher kaum zu vermitteln, dass seine neu errichteten Brunnen oder Grundwasser- messstellen einer akribischen Kontrolle mittels bohrloch- geophysikalischer Messungen unterzogen wurden, im Umfeld aber Erdwärmesonden mit Teufen bis 100 Meter und tiefer ohne adäquate Kontrolle installiert werden. Im Artikel wird ein erster möglicher Ansatz zur Überprüfung von flachen Geothermiesonden beschrieben.

Dieser Artikel ist in der Fachzeitschrift bbr – Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau, Ausgabe Mai 2010 erschienen.

Die flache Geothermie hat in den letzten Jahren in Deutschland einen merklichen Aufschwung erlebt, bietet sie doch bei richtiger Planung und Ausführung die Möglichkeit der Kostenersparnis bei der Heizung und Kühlung von Gebäuden durch Nutzung einer regenerativen Energiequelle. Spektakuläre Schadensfälle haben wiederum auch dazu geführt, dass die Flachgeothermie in die Schlagzeilen geraten ist. Ein Problem oberflächennaher Geothermiebohrungen besteht zudem darin, dass es sich überwiegend um kostengünstige Spülbohrungen handelt, die eine den Erfordernissen entsprechende Probenansprache weitestgehend ausschließt oder zumindest erschwert. Entsprechende bohrlochgeophysikalische Messungen in Aufschlussbohrungen vor Ausbau zur Erdwärmesonde zeigen, dass zwischen der geologischen Schichtenfolge nach Spülprobenauslage und der tatsächlichen Schichtenfolge, durch die Bohrlochgeophysik ermittelt, ganz erhebliche Diskrepanzen bestehen können (Abb. 1).

Abb. 1: Vergleich der geologischen Schichtenfolge in einer Erdwärmebohrung

Bei der Vermessung von Erdwärmebohrungen vor Ausbau kann immer wieder festgestellt werden, dass der Anteil bindiger Schichten (Tone, Schluffe, Mergel) nach Probenauslage (in der Abb. 1 „Lithologie nach Bohrdokumentation“) z. T. ganz erheblich zu gering bestimmt wird. Die Erklärung dafür ist wahrscheinlich in der Tatsache zu suchen, dass sich die bindigen Bestandteile beim Bohrprozess in der Spülung auflösen, bei einem Geschiebemergel z. B. nur noch die rolligen Bestandteile (Kiese und Sande) mit der Spülung ausgetragen werden und so als Proben gewonnen werden. Die Folgen derartiger Fehleinschätzungen für die Dimensionierung der gesamten Erdwärmeanlage können dabei nicht unerheblich sein. Angaben zur Mineralisation (Versalzung) des Grundwassers oder zu anthropogenen Einflüssen, z. B. Grundwasserkontaminationen, sind aus den Spülproben ebenfalls nicht ableitbar.

Stand der Technik bei der Überprüfung
von Brunnen und Grundwassermessstellen

Zur Überprüfung von Brunnen und Grundwassermessstellen werden heute standardisierte Verfahrenskomplexe der Bohrlochgeophysik eingesetzt, die in entsprechenden Arbeitsblättern des DVGW (vergl. z. B. [1+2]) fixiert sind. Dabei ist als eine der wesentlichen Fragestellungen der Nachweis der homogenen Verfüllung und Abdichtung des Ringraums mit Quellton oder Ton-Zement-Suspensionen anzusehen. Je nachdem, ob bei der Herstellung der Ringraumabdichtungen markierte oder unmarkierte Tone oder Ton-Zement-Suspensionen verwendet wurden,kommen für deren Überprüfung die folgenden Verfahrenskombinationen zum Einsatz (Tab. 1):

• GR (Gamma-Ray-Log):Messung der natürlichen Gammastrahlung von Ringraumhinterfüllung und Gebirge,
• SGL (segmentiertes Gamma-Ray- Log): Messung der natürlichen Gammastrahlung von Ringraumhinterfüllung und Gebirge in drei, jeweils um 120° horizontal versetzten Segmenten,
• GG.D (Gamma-Gamma-Dichte-Log): Messung der gestreuten Gammastrahlung, die umgekehrt proportional der Dichteverteilung ist,
• RGG.D (Dichte-Ringraumscanner- Log): um 360° rotierende Messung der relativen Dichteänderung im Ringraum,
• NN (Neutron-Neutron-Log):Messung der gestreuten Neutronenstrahlung, die ein Maß für den Gesamtwasserstoffgehalt darstellt und
• MAL (Suszeptibilitäts-Log):Messung der Magnetisierbarkeit des Materials.

Tabelle 1: Verfahrenskomplexe zum Nachweis von Ringraumabdichtungen; in Anlehnung an (Lit. 1)

Mögliche Messverfahren zur
Überprüfung von Erdwärmesonden

Prinzipiell wären die oben genannten Verfahrenskombinationen auch dazu geeignet, mit ihnen die Ringraumabdichtungen von Erdwärmesonden zu überprüfen. Da die hier verwendeten Ton-Zement-Suspensionen durchgängig unmarkiert sind, müsste somit eine Kombination der Messverfahren GR, GG.D und NN eingesetzt werden. Aufgrund der Dimensionierung der überwiegenden Zahl von Erdwärmesonden, die einen Innendurchmesser von 26 mm aufweisen, fehlte es bisher hierfür jedoch an geeigneten Bohrlochmesssonden, mit denen man in der Lage ist, die extrem kleindimensionierten PE-Rohre einer Erdwärmesonde gefahrlos, sprich havariefrei, befahren zu können.

Eine besondere Schwierigkeit bildet dabei der Einsatz von radioaktiven Prüfstrahlern, wie sie für die Messverfahren GG.D und NN erforderlich sind. Untersuchungen haben gezeigt, dass derartige Messsonden immer eine starre und damit genau definierte Geometrie zwischen Messdetektor und Prüfstrahler aufweisen müssen, da andernfalls keine repräsentativen Messwerte gewonnen werden können. Hieraus resultiert eine aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten vorgegebene minimale Baulänge der Messsonde. Neben anderen fachlichen Vorbehalten, die z. B. die nicht zu definierende Lage der GG.D- oder NN-Sonde zum Gebirge und zu den umgebenden Rohren betreffen, war letztlich die Gefahr der Havarie in Form eines Festwerdens in den z. T. stark verbogenen PE-Rohren der Erdwärmesonde und dem damit verbundenen möglichen Verlust eines radioaktiven Prüfstrahlers ausschlaggebend dafür, dass der Gedanke eines Einsatzes derartiger Sonden für die Überprüfung von Erdwärmesonden verworfen wurde.

Alternativ blieben somit für den praktischen Anwendungsfall nur die Messverfahren GR und MAL übrig, durch welche die natürliche Gammastrahlung ohne die Verwendung radioaktiver Prüfstrahler bzw. die magnetische Suszeptibilität des Verpressmaterials gemessen wird. Entsprechend der bei der Überprüfung von Grundwassermessstellen gesammelten zahlreichen Erfahrungen wurde eine miniaturisierte GR-Bohrlochmesssonde konstruiert, die aufgrund ihrer Dimensionen für die Untersuchung von Erdwärmesonden geeignet erschien (Abb. 2).

Abb. 2: GR-Messsonde für die Kontrolle von Erdwärmesonden

Einsatz der Messsonde

Erstmalig kam diese Sonde in einem Forschungsvorhaben der Beuth-Hochschule für Technik Berlin zum Einsatz. Im Rahmen dieses Vorhabens sind mehrere Bohrungen abgeteuft worden, die anschließend zu Erdwärmesonden ausgebaut wurden. Als Besonderheit wurde hier ein Mittelrohr,PVC, DN 35 mit eingebaut, über das auch die Verpressung der Ton-Zement-Suspension erfolgte. Hierzu wurde das Mittelrohr am Fuß mit einem Rückschlagventil versehen. Nach der Beendigung der Verpressung erfolgte dann ein kurzzeitiges Durchspülen dieses Mittelrohres mit klarem Wasser, sodass dieses frei von Suspension war. Das Rückschlagventil am Fuß des Mittelrohres verhinderte das Wiedereindringen von Suspension.

Verpresst wurden handelsübliche, für die Errichtung von Erdwärmesonden vorgesehene Ton-Zement-Suspensionen, die zur besseren Nachweisbarkeit durch den Hersteller mit ca. 15 % Zirkonsand dotiert waren. Vor dem Ausbau und der Verfüllung der unverrohrten Spülbohrung ist diese mit dem Ziel der lückenlosen Erfassung der geologischen Schichtenfolge bohrlochgeophysikalisch vermessen worden.

Nach dem Ausbau und der Verpressung der Bohrungen erfolgten Messungen mit der miniaturisierten GR-Sonde sowohl in dem DN 35 Mittelrohr als auch in den PE-Rohren mit Innendurchmesser 26 mm. Weitere Messungen mit der miniaturisierten GR-Sonde wurden zwischenzeitlich auch in anderen, nicht an das Forschungsprojekt gebundenen Erdwärmebohrungen ausgeführt.

Ergebnisse der Vermessungen

Messungen in verschiedenen Erdwärmesonden haben gezeigt, dass selbst diese miniaturisierte Sonde nicht in jedem Fall in den z. T. stark verbogenen PE-Rohren der Erdwärmesonden zum Einsatz gebracht werden kann. Die maximale starre Baulänge von 20 cm ist offensichtlich oftmals immer noch zu groß, um bei den vorhandenen Biegeradien der PE-Rohre eine problemlose Befahrung mit der Bohrlochsonde zu gewährleisten. Teilweise traten diese Verbiegungen auch erst nach halber Messstrecke auf, sodass zumindest ein Teil der Erdwärmesonde überprüft werden konnte.

Abb. 3: Beispiel für bohrlochgeophysikalische Kontrolle einer Erdwärmesonde

In der Abbildung 3 sind sowohl die Messungen aus der unverrohrten Spülbohrung (linker Teil der Abbildung) als auch die Kontrollmessungen dargestellt (rechter Teil der Abbildung). Die schwarze mit „GR-0“ bezeichnete Messkurve ist dabei die Gamma-Messung aus der unverrohrten Spülbohrung. Mit GR-1-P ist die Gammamessung im DN 35 PVC-Mittelrohr und mit GR-1 die Messung im DN 32 PE-Erdwärmerohr (Innendurchmesser 26 mm) bezeichnet. Die grün markierte Fläche zwischen den Messkurven beschreibt somit die durch von Zirkonsand dotierte Ton-Zement- Suspension hervorgerufene Erhöhung der natürlichen Gammastrahlung. Auffällig ist auch, dass die Messung im DN 35 Mittelrohr fast deckungsgleich mit der Messung im DN 32 PE-Rohr ist. Hieraus lässt sich ableiten, dass beide Möglichkeiten der Messdurchführung gleichwertig sind. Deutlich sind zwischen 32,2 und 34,0 m/69,8 und 76,4 m und unterhalb 85,0 m Bereiche zu erkennen, in denen keine gammaaktiv- markierte Ton-Zement-Suspension vorhanden ist.

Zusammenfassung und Ausblick

Mithilfe einer speziell für die Untersuchung von kleindimensionierten PE-Erdwärmerohren konstruierten Miniatur- GR-Bohrlochmesssonde konnte das in den Ringraum von Erdwärmebohrungen eingebrachte gammaaktiv-markierte Verpressmaterial nachgewiesen werden. Aufgrund des Fehlens von Dichtemessungen (GG.D-Log) war zwar keine Aussage über die Lagerungsdichte und Konsistenz des Verpressmaterials möglich, jedoch scheint dieser Mangel, im Hinblick darauf, dass bis dato überhaupt keine Verpresskontrollen von Erdwärmesonden möglich waren, vertretbar.

Da auch mit der miniaturisierten GR-Sonde immer wieder Befahrungsschwierigkeiten der PE-Rohre DN 32 auftraten (innen 26 mm), sind entsprechende sondentechnische Weiterentwicklungen anzustreben. Festgestellt werden musste, dass die angetroffenen Befahrungsschwierigkeiten wohl immer auf ein übermäßiges Verbiegen der PE-Rohre zurückzuführen waren. Weitere Miniaturisierungen werden jedoch wahrscheinlich bald an physikalische Grenzen, insbesondere bezüglich der Mindestgröße der in der Sonde einzusetzenden Messdetektoren für die Erfassung der natürlichen Gammastrahlung, stoßen. Zum heutigen Stand der Entwicklung kann festgestellt werden, dass der sichere Nachweis einer ordnungsgemäßen Verpressung von Erdwärmesonden unter folgenden Voraussetzungen möglich ist:

1. Einsatz von Ton-Zement-Suspensionen mit Zirkonsandbeimischungen von etwa 15 % (Masseprozent),
2. weitestgehend lotrechter und verwindungsarmer Einbau der PE-Rohre (Zentralisatoren verwenden, Rohre nach dem abrollen „ausbiegen“ lassen, Bohrung unter Zugbelastung des Rohrbündels verpressen und aushärten lassen, PE-Rohre am Bohrlochmund nicht abknicken) oder
3. alternativ zu Pkt. 2:Einbau eines Mittelrohres aus PVC, DN 35 – 40, gegebenenfalls versehen mit einem Rückschlagventil, dass dann gleich als Verpressrohr genutzt werden kann.

Bei der Verwendung von mit Zirkonsand markierten Ton-Zement-Suspensionen ist in der Mehrzahl der Fälle, d. h. bei relativ gering gammaaktiven geologischen Materialien wie den meisten Sanden, Schluffen und Tonen, eine Nullmessung in der unverrohrten Spülbohrung nicht zwingend erforderlich, jedoch zur Überprüfung der geologischen Schichtenfolge empfehlenswert.

Literatur:
[1] DVGW-Arbeitsblatt W 110 (2005): Geophysikalische Untersuchungen in Bohrungen, Brunnen und Grundwassermessstellen – Zusammenstellung von Methoden und Anwendungen; wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[2] DVGW-Arbeitsblatt W 121 (2002): Bau und Ausbau von Grundwassermessstellen; wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[3] Baumann, K./Burde, B./Goldbeck, J. (2003): Fortschritte der Bohrlochgeophysik bei der Untersuchung von Grundwassermessstellen; bbr Fachmagazin für Wasser und Leitungsbau, Nr. 7/2003, wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[4] Triller, F./Voß, T./Baumann, K.: Verstärkte Brunnenalterung bei fehlender Ringraumabdichtung; bbr Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau, Nr. 5/2009, wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn

Bildquelle: Bohrlochmessung-Storkow GmbH

Autor:
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