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Recover-EWS Effizienter Rückbau und Sanierung von Erdwärmesonden - Verlaufsmessung und Richtbohrtechnik, Rückbau und Recovering von Erdwärmesonden -

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Beschreibung

In dieser Arbeit wurden insgesamt fünf unterschiedliche magnetische Kontrastmittel auf Ihre Anwendbarkeit im Hinblick auf die Orientierungsmessung zur Bohrausrichtung bei rückbaufälligen Erdwärmesonden (EWS) untersucht.

Mit Magnetit- oder Eisenpartikeln dotierte Zement-Bentonit Suspensionen stellten sich als ungünstig heraus, da sie zum einen ein zu schwaches magnetisches Signal, selbst nach einer gezielten induzierten Magnetisierung, aufwiesen, und zum anderen der nötige Vorgang der Magnetisierung und der darauffolgenden Injektion der Suspensionen in die Sonde als nicht praktikabel bewertet werden konnte. Dies lag daran, dass die aus der Magnetisierung resultierende Ausrichtung der ferromagnetischen Partikel, durch die anschließende Injektion der Suspension in eine EWS und der damit einhergehenden ungeordneten Magnetitverteilung quasi wieder aufgehoben wird.

Stahlkugeln können für den Anwendungsfall ebenfalls als weniger geeignet bewertet werden. Bei den Stahlkugeln ist das Handling im Hinblick auf deren Magnetisierung und Eingabe in eine EWS nicht ausreichend praktikabel bzw. nicht mit einem angemessenen Kosten/Nutzen Verhältnis durchführbar, so dass auch diese ungünstig bewertet wurden.

Die drei übrigen untersuchten Methoden, die Stahldrahtseile, Spannbetonlitzen und Magnet/Stahlkugelketten umfassten, erscheinen allesamt als brauchbare Methoden für das geplante Rückbaukonzept. Unter diesen drei Methoden ist es jedoch möglich, das Verfahren mit der Spannbetonlitze als günstigste Methode für den Anwendungsfall zu identifizieren.

Bei einer Gegenüberstellung von Kosten für das reine Kontrastmittel für eine Standard 100 m EWS und der effektiven Signalreichweite, konnte insbesondere die ø15,7 mm Spannbetonlitze als am besten geeignet identifiziert werden. Eine solche Variante würde nur 325 ? reine Materialkosten bedeuten, bei einer ausreichenden lateralen Signalreichweite von max. 80 cm und einer vertikalen Reichweite von ~65 cm. Nur Lösungen aus Stahlkugel (K) / Magnetkugel (M)- Ketten konnten diese Reichweiten noch etwas überbieten, allerdings zu einem wesentlich höheren Preis. So könnte die laterale Signalreichweite, mit einer ausschließlich aus Magnetkugeln bestehenden Kugelkette, nur um max. 25 cm gegenüber der Spannbetonlitze erweitert werden, allerdings bei Kosten von 10.000 ? für eine 100 m EWS. Im Rahmen von10.000 ? sollten sich die Gesamtkosten für das neue Rückbaukonzept bewegen, somit ist eine K/M-Variante weniger geeignet. Außerdem hat die Spannbetonlitzenmethode den zusätzlichen Vorteil gegenüber allen anderen Varianten, dass Sie zwei Submethoden zur Bohrausrichtung vereint. Eine mechanische Methode, bei der die Spannbetonlitze als Führung für das Bohrgerät genutzt werden kann, und eine messtechnische Bohrausrichtungskomponente, bei der die magnetische Messung eine Neujustierung der

Bohrausrichtung ermöglicht. Zudem besteht nur bei der Spannbetonlitze die Möglichkeit, dass eine noch stärkere Magnetisierung als in dieser Arbeit (40 mT), hervorgerufen werden könnte, indem eine noch stärkere magnetische Prägung auf die Spannbetonlitze induziert wird. In diesem Vorhaben wurde die Signalreichweite des Spannbetonlitz-Verfahrens durch die zusätzliche Magnetisierung um im Schnitt 29,1 % lateral und 40,4 % vertikal gegenüber dem initialen Eigensignal verstärkt.

Die Kosten für eine kommerzielle Anlage zur Magnetisierung für den Feldeinsatz, um die Spannbetonlitze zu magnetisieren, können derzeit noch nicht abschließend beantwortet werden, da im Feld möglicherweise noch andere und zusätzliche technische Anforderungen erfüllt werden müssen im Vergleich zu einer Magnetisierung im Labormaßstab. Ein einfacher Magnetaufsatz oder Adapter am Eingang eines Sondenstrangs wäre jedoch denkbar, durch den dann die Spannbetonlitze bei gleichzeitiger Magnetisierung in den Sondenstrang abgelassen werden kann. Die Kosten für den in dieser Arbeit als Einzelfertigung hergestellten Magnetaufsatz können mit ~5.400 ? - 7.600 ? im Falle eines Feldeinsatzes abgeschätzt werden, wobei eine solche Magnetisierungsvorrichtung eine Investition für eine mehrmalige Verwendung in Rückbauprojekten darstellen würde und somit die Kosten nicht erheblich wären.

Weiterhin wurde im Rahmen des Projektes der Einfluss einer vorhandenen Hilfsverrohrung auf die Messmethoden untersucht, da bei einem gegebenen Sanierungsfall im komplexen Untergrund damit gerechnet werden kann, dass die Bohrung bis in Endteufe mit einer Hilfsverrohrung durchgeführt werden muss. Das würde bedeuten, dass mit dem Richtbohrtool nicht im offenen Bohrloch die Ausrichtung gemessen werden kann. Hierbei zeigte sich, dass die Messsignale der Spannbetonlitze durch die Verrohrung um ~30-35 % verringert werden, wobei die Messsignale immer noch eine ausreichende Ausrichtung ermöglichen sollten.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Signalreichweiten ist die Verwendung größerer Seildurchmesser, da somit die Signalreichweite bis zu einem gewissen Grad erweitert werden kann. Diese Tatsache konnte mit den Ø5mm und Ø8 mm Stahldrahtseilen nachgewiesen werden. So hatten die magnetisierten und nicht magnetisierten Ø8 mm Stahldrahtseile durchweg bei allen Experimenten immer eine größere Signalreichweite gegenüber den Ø5 mm Stahldrahtseilen. Dieser Vergleich funktioniert natürlich nur unter der Bedingung, dass die Seile aus einem identischen Stahl hergestellt sind. Sind es unterschiedliche Stähle ist ein Vergleich schwierig, da jeder Stahl über andere magnetische Eigenschaften verfügen kann. Mit Ø15,7 mm ist die Spannbetonlitze sicherlich an der Durchmessergrenze angelangt, die noch problemlos in eine EWS eingebracht werden kann. Verbesserungen des Messsignales könnte noch über die Auswahl stärker ferritischer Stähle erreicht werden. Diese müssten dann aber sowohl auf die mechanischen Beanspruchungen während des Bohrvorgangs sowie auf bessere Magnetisierbarkeit abgestimmt sein.

Sehr wichtig ist auch hervorzuheben, dass für den Anwendungsfall im Gelände, (und das gilt für alle in dieser Arbeit untersuchten Kontrastmittel) immer eine Referenzmessung des natürlichen Magnetfelds notwendig ist, um letztlich das magnetische Signal der eingesetzten Kontrastmittel herausfiltern zu können. Dies kann z.B. durch ein tiefenorientiertes, magnetisches Vorab-Logging in der rückbaufälligen EWS durchgeführt werden, sowie auch später innerhalb der Rückbaubohrung mit dem Bohrlochmesstool, in einem Tiefenbereich außerhalb der vertikalen Signalreichweite des in die Sonde eingebrachten Kontrastmittels.

In dieser Arbeit konnten keine signifikanten Störeinflüsse aufgrund geologischer Einflüsse auf das Messsignal nachgewiesen werden. Versuche wurden hierzu repräsentativ für alle anderen Kontrastmittel mit den Ø8 mm Stahldrahtseilen durchgeführt. Generell kann bereits auf theoretischem Weg ein Einfluss bei einer Vielzahl von Szenarien ausgeschlossen werden, da nur ferromagnetische Materialien wirklich das Potential für Störeinflüsse haben, und diese sind in der Natur relativ selten. So können viele Sedimente, wie Sand und Ton und entsprechende Gesteine, ob nun trocken oder wassergesättigt, als unproblematisch eingestuft werden. Dieses wurde in den umfangreichen Arbeiten auch experimentell bestätigt. Einflüsse können nur bei eisenhaltigen Gesteinen entstehen, wobei hier natürlich der Eisengehalt in den gesteinsbildenden Mineralen sowie deren Anteil am Gestein selbst eine ausschlaggebende Rolle spielen. Beispielsweise dafür sind Granite, eisenhaltige Oolithe und Basalte. Die im Rahmen des Projektes getesteten natürlichen Störeinflüsse zeigten keine abweichenden Signale auf die getesteten Methoden. Es ist aber nicht auszuschließen, dass es bei bestimmten Untergrundbedingungen doch zu Beeinträchtigungen der auf magnetischen Messungen basierenden Rückbaumethode kommen kann. Deshalb kann es gegebenenfalls bei einem Rückbaufall sinnvoll sein, ein magnetisches Vorablogging durchzuführen, um Erkenntnisse über die tiefenorientierte Hintergrundmesswerte zu bekommen. In Laborversuchen können nicht alle Untergrundbedingungen nachgebildet werden, wie z.B. große Gesteinsvolumina mit hohen Anteil an z. B. ferritischen Mineralen, die dann doch signifikante Störeinflüsse hervorrufen könnten.

Neben dem Einfluss der geologischen Gegebenheiten wurde auch ein möglicher Einfluss von Magnetit dotiertem Zement (Schwenk Füllbinder H-hs plus) auf das magnetische Signal anhand der Spannbetonlitze untersucht.

Die Untersuchungen zeigten keinerlei Einfluss auf das Messsignal. Der Magnetitgehalt im Zement reicht nicht aus, um die Signale des Kontrastmediums zu stören. Auch bei gleichzeitiger Verwendung eines Suszeptibilitätsmessgerätes (Cem Trakker der Fa. Santherr), das zur Abdichtungsprüfung in Kombination mit dotiertem Zement verwendet wird, konnten keine Einflüsse festgestellt werden. Die Messsonde sendet offensichtlich nur ein sehr schwaches magnetisches Signal in die Umgebung aus.

Die elektrische Widerstandsmessung hat gezeigt, dass es prinzipiell möglich ist die Position einer einfachen U-Rohrsonde in einer Hilfsverrohrung zu lokalisieren. Dies war besonders im

Sand und Schluff der Fall. Es hat sich aber auch gezeigt, dass das Kontrastmittel an die umgebenden Bedingungen wie Geologie und Grundwasserbedingungen sowie die verwendeten Baustoffe (Art des Hinterfüllmaterials) anzupassen ist, da beispielsweise im Ton aufgrund dessen niedrigen spezifischen Widerstands keine Positionsbestimmung der Erdwärmesonde möglich war. So sollte das Kontrastmittel nicht zwingend einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen sondern an die jeweiligen Standortbedingungen angepasst werden. Im Bereich von Gesteinen mit einem niedrigen spezifischen Widerstand währen Kontrastmittel mit einem sehr hohen spezifischen Widerstand sinnvoll. In diesen Fällen muss jedoch auch der spezifische Widerstand des Hinterfüllbaustoffs mit Berücksichtigung finden. Um diese Fragen zu klären besteht weiterer Forschungsbedarf. Weiterführende Untersuchungen waren jedoch im Rahmen des Forschungsprojektes nicht mehr möglich. Um die relevanten Fragen zu klären müssten weitere umfangreiche Untersuchungen im Labor-, Technikums- und Feldmaßstab erfolgen, da im Realfall sehr unterschiedliche und komplexe Bedingungen für die Widerstandmessung vorkommen. Dies hängt neben den unterschiedlichen spezifischen Widerständen der vorkommenden Gesteine, Hinterfüllbaustoffe und Erdwärmesonden auch von der Positionierung der Sondenrohre innerhalb der Bohrung, sowie von Bohrspülung und dem vorhandenen Wasser im Bohrloch ab.

Metadaten

TitelRecover-EWS Effizienter Rückbau und Sanierung von Erdwärmesonden - Verlaufsmessung und Richtbohrtechnik, Rückbau und Recovering von Erdwärmesonden - 
Stand 2017 
Seitenzahl296 
Förderkennzeichen BWG14001
BWG14002
BWG14003
BWG14004

 

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