Bohrerfahrungen bei Deutschlands größtem ... - ERDWERK

38 03/2010

Für den Ausbau der regenerati-ven Energieerzeugung für Mün-chen nimmt unter den lokalen

Ressourcen die Geothermie eine zentraleRolle ein. Der Grundsatz einer jedentiefen hydrothermalen Erdwärmenut-

zung ist die Errichtung eines Kreislaufsmit einer Produktionsbohrung (zurEntnahme des heißen Thermalwassers)und einer Injektionsbohrung (zur Rück-führung des thermisch genutzten Was-sers). Der Zielhorizont tiefengeother-

mischer-hydrothermaler Projekte imsüddeutschen Molassebecken ist derobere Jura (Malm).Lithologisch handeltes sich beim Malm um ein Karbonat-gestein, das sowohl kalzitisch als auchdolomitisch ausgeprägt sein kann. Die

Bohrerfahrungen bei Deutschlands größtem GeothermieprojektProjektentwicklung Tiefe Geothermie n Die Stadtwerke München verfolgen das ehrgeizige Ziel, dass München die erste deutsche Groß-stadt sein soll, in der alle Privathaushalte mit Ökostrom versorgt werden können, der in eigenen Anlagen produziert wird. Eine zentrale Rolle inder Strategie zur Erreichung dieses Ziels spielt, unter Nutzung lokalerRessourcen, die Geothermie. In München-Riem betreiben die Stadt-werke seit 2004 ihre erste Geothermieanlage zur Wärmeerzeugung. Das erste Projekt mit dem Ziel der Stromerzeugung ist Sauerlach, seit Oktober 2007 wurde dort gebohrt. Drei Bohrungen für das geothermische Heizkraftwerk mit einer geplanten Leistung von ca. fünf MW und einer zusätzlichen Auskopplung von vier MW Wärme sind niedergebracht und die Pumpversuche erfolgreich abgeschlossen worden. Berichtet wird über die Erfahrungen bei der Abteufung der tiefsten Geothermiebohrungen in Deutschland.

Abb. 1 Bohranlage Rig 23 auf der Lokation Sauerlach

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Gesteinspermeabilitäten, die ein Zir-kulieren des Thermalwassers ermögli-chen, können durch Matrixporositä-ten, Verkarstungen und/oder durchKluftporositäten bedingt sein. RichtungSüden fällt diese karbonatische „Platt-

form“, deren vertikale Mächtigkeit jenach geografischer Lage meist zwischen500 und 600 Meter liegt, mit wenigenGrad ein und nimmt daher zum Alpen-körper hin immer tiefere Lagen an (Abb.

2).Mit der absoluten Tiefenlage nehmen

entsprechend auch die Temperaturenim Aquifer grundsätzlich zu.

Durch die günstige Lage im zentralenMolassebecken (Abb. 2) hat Münchenunter den deutschen Großstädten in

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Bohrtechnik / Geothermie

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Abb. 3 Erlaubnisfeld Sauerlach mit Lage der Referenzbohrungen und Seismiklinien

Abb. 2 Nord-Süd-Schnitt durch dasVoralpenland

40 03/2010

dieser Hinsicht ausgezeichnete Voraus-setzungen. Die Stadtwerke Münchenwaren mit der Errichtung ihrer erstenGeothermieanlage 2003 in München-Riem einer der Pioniere dieser Tech-nologie [1]. Die Anlage in München-Riem läuft seit der Inbetriebnahme ohnerelevante technische Probleme [2].Daherhaben sich die Stadtwerke München be-reits 2004 nach einer fundierten Grund-lagenermittlung für einen weiterenAusbau der Geothermie entschieden.Sukzessive wurden die Aufsuchungs-erlaubnisse für das Stadtgebiet vonMünchen beantragt. Durch die Tiefen-lage des Aquifers bedingt können dortjedoch nur Temperaturen von unter ca.110 °C erwartet werden. Der Fokus indiesen Aufsuchungsfeldern liegt auf derWärmegewinnung. Die Stromproduk-tion wird erst in weiter südlich vonMünchen gelegenen Lokationen mithöheren Temperaturen technisch interes-sant, etwa in Unterhaching,wo seit 2006mit 122 °C warmem Thermalwasser daserste Kalina-Cycle-Kraftwerk Deutsch-lands Strom erzeugt [3].Die SWM übendort seit 2006 die technische Betriebs-führung für das Geothermiekraftwerkund das Heizwerk im Auftrag der Geo-thermie Unterhaching GmbH aus.

Für das Projektgebiet Sauerlach wurdendie Teufen des thermalwasserführendenAquifers mit ca. 3.400 bis 3.800 Meterabgeschätzt. Entsprechend der Teufen-lagen ergaben sich Temperaturprog-nosen von bis zu 130 °C. Daher habendie Stadtwerke München Ende 2005die Aufsuchungserlaubnis Sauerlachvon der ProjektentwicklungsfirmaSchmack Aufwind Neue EnergienGmbH aus Regensburg übernommen– mit dem Ziel, das bislang größtedeutsche Geothermievorhaben mit achtMW elektrischer Leistung und bis zusieben MW thermischer Leistung fürdas Fernwärmenetz der GemeindeSauerlach zu errichten.

Planungsgrundlagen

Bis zum Beginn der Bohrarbeiten imOktober 2007 galt es,die optimalen Vor-aussetzungen für eine erfolgreiche Um-setzung zu schaffen. Wichtige geo-logische, hydrogeologische und auchgeothermische Informationen wurdenhierfür aus projektnahen Bohrungenzusammengetragen. Von besonderer

Bedeutung waren hierbei die nur wen-ige km in östlicher Richtung entfern-ten Kohlenwasserstoff-Explorations-bohrungen Hofolding 1-4 und dieBohrung Endlhausen 1 (Abb. 3). ZurOptimierung der Erschließungsplanungund zur weiteren Risikominimierungwurden seismische Daten verwendet. InAbhängigkeit der Lage und Ausrichtungwurden insgesamt 10 seismische 2D-Profile,die in den 70er- und 80er-Jahrenim Rahmen von Kohlenwasserstoff-Ex-plorationstätigkeiten aufgenommenwurden, ausgewählt und nach Freigabedurch die Eigentümerin EMPG (ExxonMobil Production Germany) für dasVorhaben neu prozessiert. Mit demReprozessing und der geophysikalischen

Auswertung lagen ca.51 km geologisch-strukturgeologische Informationen überden tiefen Untergrund bei Sauerlachvor. Lage und Orientierung der seis-mischen Profile im Erlaubnisfeld Sauer-lach und die Referenzbohrungen zeigtAbbildung 3.

Auf Basis der seismischen Informationenkonnten geologisch-strukturgeologischeModelle für das Projektgebiet entwickeltwerden,auf deren Grundlage erste Bohr-planungen durchgeführt werden konn-ten. Die Erschließungsziele konzen-trierten sich dabei v. a. auf übergeord-nete strukturgeologische Elemente, diesich in Form von tektonischen Störungenin den Profilen abzeichnen; im Bereich

Abb. 5 Fundamentarbeiten am Bohrkeller mit gesetztem Standrohr

Abb. 4 Geologischer Schnitt (Nord-Süd) mit unterlegter Seismik

Bohrungen Sauerlach Th1, Th2, Th3, Th4 projeziert

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dieser Störungen wird generell eine bes-sere Gebirgsdurchlässigkeit, bedingt u. a. durch intensive Zerklüftung desGesteins, erwartet. Abbildung 4 zeigteinen geologischen Nord-Süd-Schnittmit einer unterlegten Seismik für denTeufenbereich von tieferem Tertiär bisoberen Jura mit den geplanten Boh-rungen in Projektion.

Geometrie der Doppeldublette

und Standort Bohrplatz

Die Erschließung und Nutzung desTiefenwassers sollte mittels geother-mischer Doppeldublette erfolgen, d. h.mit je zwei Produktions- und Reinjek-tionsbohrungen.Auf Grundlage der seis-misch-geologischen Erkenntnisse wurdezunächst eine Variantenstudie zu denErschließungszielen und möglichenBohrstandorten erarbeitet. Jede dieserBohrungen wurde so als gerichteteBohrung geplant, dass sie ein vielver-sprechendes strukturgeologisches Ele-ment anfährt. Um aber die Möglichkeiteiner direkten gegenseitigen Beein-flussung der Bohrungen untereinanderzu minimieren, wurde der Abstandzwischen den einzelnen Bohrungenmöglichst groß gewählt. Aus dem geo-logischen Modell heraus ergaben sichverschiedene Lösungen für eine Er-schließung des Thermalwasservorkom-mens mit zwei Förder- und Injektions-bohrungen.Eine Variante ging von zweigetrennten Dubletten von unterschied-lichen Bohrstandorten aus (ein Bohrplatzca. zwei km südsüdwestlich von Sauer-lach, ein Bohrplatz ca. 1,5 km nordöst-lich von Sauerlach). Eine weitere Vari-ante ergab eine annähernd symme-trische, X-förmige Variante von einemSammelbohrplatz (ca. einen km nord-östlich von Sauerlach) aus, wobei derBohrplatz im Knotenpunkt zum Liegenkam.Die Standortfrage Bohrplatz wurdeletztendlich unter Berücksichtigung derinfrastrukturellen Gegebenheiten,wirt-schaftlichen Erwägungen und raum-planerischen Vorgaben zugunsten einesSammelbohrplatz für max. vier Boh-rungen in unmittelbarer Nähe zum be-stehenden Biomasse-Heizkraftwerk inSauerlach entschieden. Die projektierteBohrgeometrie der Doppeldublette ent-sprach letztendlich der Form eines ver-zerrten, asymmetrischen X, mit z. T.kurzen, aber auch sehr langen lateralenAblenkstrecken.

Bohr- und Komplettierungsschema

Nachdem Bohrplatz und Erschließungs-ziele festgelegt waren, erfolgte die Aus-führungsplanung der Bohrungen. Fürsämtliche Bohrungen wurde ein Stan-dardbohr- und Komplettierungsschemamit vier Sektionen gewählt: Die Bohr-durchmesser wurden mit 23“ – 16“ –12 1/4“ – 8 1/2“,die entsprechenden Kom-plettierungen mit 1 5/8“ – 13 3/8“ – 9 5/8“– 7“ (Slotted Liner) festgelegt. Die zwei-te Rohrtour wurde als Tagestour, diedritte und vierte Rohrtour wurden alsLinerrohrtouren geplant. Förder- undReinjektionsbohrungen wurden grund-sätzlich gleichartig vorgesehen, um erstnach der Ausführung und Inproduk-tionssetzung der Bohrungen die genaueFestlegung hinsichtlich Förder- oderInjektionsbohrung treffen zu können.Um vom Bohrplatz aus die Bohrzieleoptimal anzufahren, wurden für alleBohrungen Bohrpfade mit z.T.mehrerenNeigungsänderungen (built sections),auch zeitgleich zu azimutalen Ände-rungen,erarbeitet.Die Bohrpfade ließensich dadurch als geknickte Bögen bzw.gekrümmte Linien im Raum beschrei-ben. Bei der Planung wurde darauf ge-achtet, möglichst geringe Neigungsauf-bauraten zu generieren. Die räumlichePlanung erfolgte unter Einsatz ent-sprechender 3D-GIS-Software.

Bohrplatzbau

Die Vorbereitungen des Bohrplatzes fürdie Bohrungen wurden Anfang Juli 2007durch die Firma Beton- und MonierbauGmbH (Nordhorn) begonnen. Dazuwurde ein Areal von insgesamt ca.12.500m2 hergerichtet. Der zentrale Bereich,in dem die Bohranlage aufgestellt wurde,umfasst eine Fläche von ca. 2.800 m2.Hier befinden sich aufgereiht die vierBohrkeller in Abständen von 7,5 und 10Metern, die Bohranlagenfundamentesowie die Bohrkleingrube. Der äußereBereich umfasst die Stellflächen fürContainer und Werkstatt sowie die Um-fahrung und Zufahrt. Ferner wurdenein Rohrlager mit ca. 1.700 m2, ein Arealfür das Testequipment (für die Pump-tests) mit ca. 1.500 m2 und eine Park-fläche eingerichtet. Abbildung 5 zeigtdie Fundamentarbeiten eines Bohrkel-lers mit gesetztem Standrohr. Der Bohr-platz wurde nach Fertigstellung an dieITAG Tiefbohr GmbH (Celle) zum Auf-bau der Bohranlage übergeben. Die

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Standrohre (Ø 820 mm) wurden be-reits im Zuge des Bohrplatzbaus im Tro-ckenbohrverfahren bis auf ca. 50 meingebracht (Abb. 6).

Bohrarbeiten Sauerlach

Th1a-Th2-Th3b

Für die Durchführung der Bohrarbeitenwurde nach einem EU-weiten Teil-nahmewettbewerb und einem Ver-handlungsverfahren die ITAG auf Basiseines Day-Rate-Vertrages als General-unternehmer verpflichtet. Für das Ab-teufen der tiefen Geothermiebohrungenwurde die ITAG Rig 23 eingesetzt(Hakenregellast mit Top drive: 450 to,Leistung: 745 kW). Für einen wirt-schaftlichen und umweltfreundlichenBetrieb erfolgt der Betrieb der Bohr-anlage vollständig elektrisch. Nach einerAufbauphase für Bohrturm und Equip-ment von ca.14 Tagen konnten nach derbergbehördlichen Abnahme der Bohr-anlage durch das Bergamt Südbayern dieBohrarbeiten an der ersten BohrungSauerlach Th1 am 04.10.2007 auf-genommen werden.Von den ursprüng-lich vier geplanten Tiefbohrungenkamen – aufgrund der Ergebnisse –letztendlich drei Bohrungen zur Aus-führung. Die Bohrungen Th1 und Th2wurden gemäß Ausführungsplanungabgeteuft. Nach Durchführung einerneuen Seismikkampagne im Juni 2008,in deren Rahmen drei 2D-Profile auf-genommen wurden, wurde für die 3. Bohrung ein neues geologisches Zielim Süden des Projektgebietes definiert,das sich aus strukturgeologischer Sichtals vielversprechend darstellte und beidem man sich aufgrund der Teufenlageein höheres Temperaturniveau ver-sprach. Die Abbildung 7 zeigt Lage undVerlauf der letztendlich abgebohrtenSauerlacher Geothermiebohrungen.

Während die Bohrungen Th1a und Th2mit Teufen von 4.757 und 5.060 Me-tern MD nach Fertigstellung bereits denStatus als tiefste Geothermiebohrungenin Deutschland verbuchen konnten,wurde die Rekordteufe aus Th2 mit derBohrung Sauerlach Th3b noch einmalum weitere 507 Meter übertroffen (ET5.567 m MD). Die horizontalen Ab-lenkstrecken in Th2 und Th3b erreichtendabei Strecken deutlich über zwei Kilo-meter. Um die definierten Bohrpfadeeinzuhalten, wurde die Richtbohrtech-

nik mit downhole motor und MWDder Fa.Baker Hughes Inteq (Celle) unterkontinuierlicher Kontrolle von Soll-Koordinate und Ist-Koordinate einge-setzt. Im Wechsel von Rotary- und Richt-bohrstrecken wurden die Bohrungenschließlich zielgenau abgeteuft. WeiteAblenkstrecken und große Teufen inKombination mit großen Bohrdurch-messern stellten für das Geothermie-vorhaben hohe Anforderungen an Per-sonal, Technik und Equipment dar.Durch kontinuierliche Optimierungs-

prozesse konnten die Bohrungsziele je-doch erreicht werden. In den BohrungenTh1 und Th3 mussten im Zuge derBohrarbeiten abgebohrte Teilstreckenaufgrund von Stabilitätsproblemen derBohrlochwand leider wieder aufgegebenwerden, da die Befahrbarkeit des Bohr-lochs in Teilstrecken nicht mehr gewähr-leistet war.Den erforderlichen Sidetrackswurden die Kürzel a und b beigefügt. Inder Bohrung Th3b bedingte die Teil-aufgabe des Bohrlochs und der Einbaueiner Zwischenrohrtour die Reduzierung

Tabelle 1 Bohrungen

Bohrung Endteufe [m] Horizontale Bohr- Projekt- Bemerkung(MD) (TVD) Abweichung end-Ø tage bis

[m] [inch] Erreichen ET

Th1a 4.757 4.179 1.213 8 1/2 160 Inkl. Sidetrack

Th2 5.060 4.181 2.309 8 1/2 112 Inkl. Vertiefung

Th3b 5.567 4.480 2.759 6 1/8 233 Inkl. 2 Sidetracks

Abb. 6 Bohrung eines Standrohrs

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des Erschließungsdurchmessers von 8 1/2“ auf 6 1/8“. Eine Zusammenstellungder Basisdaten zu den Bohrungen Th1a,Th2 und Th3b ist Tabelle 1 zu ent-nehmen.

Nach einer Gesamtzeit von 691 Tagenwurde die Bohranlage am 24.08.2009nach Durchführung sämtlicher Bohr-und Workovertätigkeiten sowie Kurz-zeittests zum Abbau freigegeben.

Geologie

Die geologischen Gegebenheiten ent-sprachen überwiegend den Erwar-tungen. Das geologische Profil (hier amBeispiel der Bohrung Sauerlach Th2)ist in der Tabelle 2 dargestellt. Dietertiäre Abfolge zeigt eine Mächtigkeitvon ca.3.390 Metern,während die Kreidemit ca. 180 Metern erfasst wurde. Die -tertiären Sedimente lassen sich vorwie-gend als ausgeprägte Wechsellagerungvon Tonmergelstein und Kalksandsteinbeschreiben. Die Kreideablagerungendagegen zeigen eine differenziertere Ab-folge aus Kalkstein, Kalkmergel und

Sandstein (Unterkreide) und Kalkmer-gel,Kalkstein und Tonmergel (Oberkrei-de). Die Kalksteine und Dolomite desMalms wurden auf einer Mächtigkeitvon insgesamt ca. 620 Metern auf-geschlossen (Tab. 2).

Geologisch bedingte Schwierigkeitenbeim Abteufen der Bohrungen wurdenim Tertiär durch die ausgeprägteWechsellagerung verursacht. DurchOptimierung von Spülung, Bohrmeißelund Bohrgarnitur konnte den Pro-blemen jedoch erfolgreich begegnetwerden. Schwerwiegendere geologischeProbleme verursachte die Formationdes Rupel-Bändermergels (Unteroligo-zän), der im Liegenden vornehmlichtonreich ausgeprägt ist. Vermutlichdurch lokale Hochdruckzonen bedingt,kam es hier zum Aufbrechen des Ge-birges und schließlich zu verstärktemNachfall und damit zu nachhaltigenBohrlochinstabilitäten. Diese sind auchin Verbindung mit erhöhtem gesteins-internen Fluiddruck, verursacht durcherdölgenetische Prozesse, zu sehen. Der

sehr starke Nachfall führte in denBohrungen Th1a und Th3b dazu, dassTeilbereiche wieder aufgegeben undSidetracks angesetzt werden mussten.Die verlorenen Teilstrecken wurdenrückzementiert.

Bohrwerkzeuge

Die Auswahl der Meißel erfolgte ent-sprechend prognostizierter Geologie,gewonnenen Erfahrungen aus demMolassebecken sowie auch unter wirt-schaftlichen Gesichtspunkten. In denTop-hole-Sektionen (23“) wurden daherausschließlich Zahnmeißel eingesetzt. Inden nachfolgenden Sektionen zwei (16“)und drei (12 1/4“) wurde bevorzugt mitPDC-Meißel gebohrt.Lithologische undbohrtechnische Gegebenheiten ließenjedoch einen kontinuierlichen PDC-Einsatz nicht zu. So musste z. B. in denNeigungsaufbauabschnitten vorwiegendauf Rollenwerkzeuge gewechselt werden,um den geplanten Richtbohrpfad ein-zuhalten. Ferner erwiesen sich in Sauer-lach Th1 einige Kalksandsteinschichtenund geringmächtige Sandsteinbänke

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in der Kreide als derartig abrasiv, dassdie eingesetzten PDC-Meißel innerhalbweniger Bohrmeter verschlissen warenund getauscht werden mussten (Abb. 8).Oftmals war dabei der finanzielle Auf-wand für den Roundtrip deutlich höherals für einen neuen Meißel.Für die nach-folgenden Bohrungen wurden dahergem.„lessons-learned“ für diese Forma-tionen optimierte Meißel eingesetzt (z. B. mit Kaliberschutz und Back-up-Cutter) bzw. vorsorglich auf Rollen-werkzeuge gewechselt. In der 4. Sektion(Malm) wurden fast ausschließlichPDC-Meißel eingesetzt. Insgesamt warder Meißelaufwand in den Sauerlach-Bohrungen deutlich höher als geplant.Dieses betrifft insbesondere die Top-hole-Sektion und den Teufenbereichdes tiefen Tertiärs und der Kreide.

Spülung

Die Top-hole-Sektionen wurden ausKostengründen mit einer BentonitSpülung gebohrt. Für die zweite Sektionwurde diese Ton-Wasser-Spülung zueiner Pottaschespülung modifiziert, dieauch in der dritten Sektion verwendetwurde. In der Bohrung Th3b wurdevorsorglich zur verbesserten Inhibierungdie Pottaschespülung zu einer Ultra-drillspülung umgestellt, um der fest-gestellten Nachfallproblematik im Rupelentgegenzuwirken. Nach Erreichen desThermalwasseraquifers wurde die Pott-asche- bzw. Ultradrillspülung für denfolgenden Bohrabschnitt gegen einesehr leichte trägerschonende Polymer-Wasser-Spülung ausgetauscht, um hiereine nachhaltige Schädigung des Aqui-fers durch Spülungskomponenten aus-

zuschließen. Die ausgescherte Pott-aschespülung wurde aus Umwelttech-nischen- und Kostengründen jeweilsfür die nachfolgende Bohrung zwischen-gelagert. Spülungsservice und Fest-stoffkontrolle oblagen der M-I SWACODeutschland GmbH (Celle).

Bohrlochmessungen

Nach Erreichen der jeweiligen Ab-setzteufen erfolgten geophysikalischeBohrlochmessungen durch den Wire-line-Service (Schlumberger, Vechta).Die Standardmessungen Gamma-Akti-vität, Kaliber, Widerstand, Temperaturund Eigenpotenzial wurden v. a. in denoberen drei Sektionen gefahren. DieseMessungen dienten insbesondere geo-logischen sowie weiterführenden bohr-technischen Fragestellungen für Rohr-

Th3b

Th3

Th3a

Th1a

Th1

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Tabelle 2 Geologisches Profil Th2

Teufe Lithologie und[bis m u. GOK ] Stratigraphie

45 Quartär

212 Mittelmiozän

1.831 Untermiozän472 Karpat526 Oberes Ottnang810 Mittleres und

Unteres Ottnang869 Eggenburg1.831 Oberes Eger –

Aquitan

2.927 Oberoligozän2.927 Unteres Eger – Chatt

3.339 Unteroligozän3.316 Kiscell3.339 Latdorf

3.387 Eozän3.387 Priabon

3.565 Kreide3.475 Oberkreide3.565 Unterkreide

4.181 Jura4.181 Malm: Karbonate,

Dolomit

Abb. 7 Lage und Verlauf der Bohrungen Sauerlach

Abb. 8 Verschlissene PDC-Meißel, links im Neuzustand

03/ 2010

einbau und Zementation. Zur Kontrolleder Ringraumzementationen wurdenferner akustische Zementgüte- undZementbondmessungen durchgeführt.Zur Untersuchung des Thermalwasser-aquifers erfolgten ergänzend Mikro-widerstandsmessungen, deren Ergeb-nisse für die strukturgeologischen undhydrogeologischen Charakterisierungendes Trägers erforderlich sind.

Zementationen

Nach Einbau der Casings (Abb. 9) wur-den die Ringräume – abhängig von derSektion – im Stinger-Stopfen- bzw.Linerzementationsverfahren zemen-tiert. Die Auswahl von Zementen undZusätzen erfolgte entsprechend der Tem-peraturverhältnisse, Lithologien undBohrlochbedingungen sowie unter wirt-schaftlichen Aspekten: Für die Zemen-tationen der ersten Sektionen (18 5/8“)stellten sich Portlandzement und Hoch-ofenzement als optimal heraus, für dieübrigen Sektionen empfahlen sich so-wohl Hochofenzement und Class GThermal A Zement. Ferner wurden be-sondere Leichtzemente, die durch ihregeringe Temperaturleitfähigkeit denTemperaturverlust bei der Förderungreduzieren, in sensiblen Abschnitteneingesetzt. Je nach Abschnitt und Teufewurden Leadzemente mit Dichten von1,35 bis 1,6, Tailzemente bis zu 1,9 kg/lverwendet.

Bei einigen Sektionen zeigten nach-folgende Zementgüte- und -Bond-Messungen in Teilbereichen jedochkeine optimale Bindung von Rohr undZement oder aber keine vollständigeAushärtung der Zementsuspensionen.Ursächlich wurde hier oftmals einenicht vollständige Verdrängung vonSpülung bei z. B. Exzentrierungen desCasings oder größeren Auskesselungen(i. d. R. lithologisch bedingt) im Bohr-loch gesehen. Bei Geothermieboh-rungen sind eine gute Anbindung vonCasing und Zement und Zementaus-

härtung grundsätzlich besonders wich-tig, insofern bei der Förderung vonheißem Thermalwasser temperatur-bedingte Elongationen der Casings unddie Bildung von schädigenden Über-drücken durch hinter den Rohren ver-bliebene flüssigen Phasen verhindertwerden müssen. Schwerwiegende Fol-gen einer unvollkommenen Zemen-tation zeigten sich in der dritten Sektionin der Bohrung Th1a: Im oberen Ab-

schnitt entstand nach der Zementierungeine Zone mit nicht ausgehärtetemZement bzw. mit einer Mischzone ausZement und Spülung. Diese flüssigePhase erzeugte während eines nach-folgenden Pumptests einen hohenDruckaufbau,der in Verbindung mit derLängendehnung des freien Rohrkörpersbei verankertem Linerkopf einen Rohr-kollaps zur Folge hatte. Im Zuge vonWorkover-Maßnahmen konnte der

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Abb. 9 Verschrauben der 13 3/8“-Casing-Rohre

46 03/2010

Rohrkollaps unter Einsatz von Spezial-Fräswerkzeugen entfernt und mittels„Patch“ für einen ungestörten Betriebwieder gesichert werden.

Stimulationen

Nach Erreichen der Endteufen wurdeder Thermalwasserträger vor Beginn derPumptests mit Säure stimuliert. DasEinbringen der Säure sollte v. a. dazubeitragen, das noch im Bohrloch undin den natürlichen und bohrungsindu-zierten Klüftungen befindliche karbo-natische Bohrklein zu zersetzen. Für jede durchgeführte Stimulation wurdedazu ein Volumen von bis zu 100 m3

15-20%ige Salzsäure über einen Bohr-und Säuerungsstrang mit ca.1.000 l/minin das Bohrloch eingebracht. Je nach Er-fordernis wurden pro Bohrung mehrereStimulationen im Wechsel zu denPumptests durchgeführt. Trotz Zugabeeines Inhibitors und zügig durch-geführten Nachpumparbeiten konntenSäurekorrosionen am Gestänge nichtverhindert werden. Abbildung 10 zeigteinen 3.1/2“ Strang nach einer abge-laufenen Säuerung, bei der der Strangüber einen längeren Zeitraum mit Säurein Kontakt stand. Bei dieser Säuerungwurde auch ein Teil des Strangs im Bohr-loch verloren.

Kurzzeittests

Zum Nachweis der Fündigkeit wurdenim Rahmen der Inproduktionssetzungs-maßnahmen zunächst Kurzzeittestsdurchgeführt.Für die Tests standen demProjekt zwei Tauchkreiselpumpen derFirma Baker Hughes Centrilift mitunterschiedlichen Leistungsbereichen

zur Verfügung. Nach der initialen Sti-mulation wurden die Bohrungen zu-nächst freigefördert. Im Rahmen vonanschließenden Kurzzeit-Leistungstestswurden die Bohrungen jeweils mehrereTage hinsichtlich Fündigkeit und Leis-tungspotenzial getestet. Das mit bis zu140 °C geförderte Thermalwasser musstedabei in aufwendigen Kühlketten (Luft-kühlung) auf 35 °C heruntergekühltwerden, damit eine Entsorgung der an-fallenden Wässer über die öffentlicheKanalisation gewährleistet werden konn-te.Dazu wurden acht Nasskühltürme derFirma Axima mit einer Gesamt-Kühl-leistung von insgesamt 40 MW bereit-gestellt. Die Reinjektion der zutage ge-förderten Wässer in eine bestehendeBohrung wurde nach dem „Klarpum-pen“ der Bohrung durchgeführt. Fürdie Tests waren mit dem gechartertenTestequipment Fördermengen von biszu 80 l/s technisch darstellbar.Auf Basiserster hydraulischer Auswertungenwurden potenzielle Fördermengen von60 l/s (Th3b), 80 l/s (Th2) und 120 l/s(Th1a) für die Bohrungen prognos-tiziert.

Langzeitpump- und -Injektionstest

Auf Grundlage der Kurzzeittests wurdedie Th1a als Förderbohrung und dieTh2 und Th3b als Injektionsbohrungenfestgelegt. Im Langzeitpump- und Re-injektionsversuch sollte dieses Nut-zungsregime der Triplette ca. fünf bissechs Wochen getestet und analysiertwerden. Über ein Regelorgan konntendie Verpressbohrungen auch einzelngetestet werden. Im Langzeitpump-und Reinjektionsversuch sollten be-

triebsähnliche Zustände in einem ge-schlossenen Kreislauf über mehrereWochen simuliert werden. Die dabeierhaltenen belastbaren hydraulischenLeistungswerte bilden die Datenbasis fürdie Auslegung der später einzubauendenTauchkreiselpumpe, des Geothermie-kraftwerks sowie der Erstellung desWärmebergbaugutachtens.

Am 27.10.2009 startete der Langzeit-pump- und Reinjektionsversuch mitder Brunnenservice GmbH (Radstadt,Österreich) als Generalunternehmer.Zuvor wurde die Pumpe in der Th1aauf eine Teufe von 800 Meter abgehängt.Das geförderte ca.140 °C heiße Thermal-wasser wurde über einen Plattenwär-metauscher mit 30 MW Wärmeleistungund sechs Nasskühltürmen mit einerKühlleistung von 45 MW abgekühlt,bevor es in die Th2 und Th3b verpresstwurde. Die Versuche wurden jeweils bis zur Einstellung stationärer Druck-zustände fortgeführt.Es wurden mehrereStufen zu 5 l/s von 60 l/s bis zur Leis-tungsgrenze der Pumpenkonfigurationbei 105 l/s gefahren. Zudem erfolgtenregelmäßig Thermalwasseranalysen. ImAnschluss an diese Versuchsreihe wurdeein Rückspül-Trommelfilter mit einerMaschenweite von 50 μm in das Systemintegriert, um die grundsätzliche Eig-nung des Systems für den Betrieb zutesten sowie eine mögliche Grobfrachtim Thermalwasser abscheiden und ana-lysieren zu können. Zusätzlich wurdenverschiedene Dichtungsmaterialien so-wie Stahlsorten in einem Expositions-test auf die Verträglichkeit mit demThermalwasser bzgl. Korrosion undScaling getestet.

Am 10.12.2009 wurde der Langzeit-pump- und Reinjektionsversuch erfolg-reich abgeschlossen. Es konnten Tem-peraturen an der Tauchkreiselpumpebis zu ca. 140 °C gemessen werden. DerKopfdruck und die maximalen Injek-tionsdrücke lagen unter 10 bar. DiePrognose für die Förderung aus derTh1a mit 120 l/s konnte nach vorläufigerAuswertung bestätigt werden. Die voll-ständige Ausarbeitung der Versuchs-daten sowie die Analysen der Grob-fracht im Thermalwasser und die Unter-suchungen zur Verträglichkeit derDichtungsmaterialien und Stahlsortensind noch in Arbeit.

Abb. 10 Säuerungsstrang (3 1/2’’) mit Säureangriff

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Kraftwerksplanung und Ausblick

Das ursprüngliche Ziel eines Kraftwerksmit acht MW elektrischer Leistung kannmit den vorliegenden Thermalwasser-bedingungen nicht mehr erreicht wer-den. Momentan gehen die Planungenvon einem fünf MW-Kraftwerk aus, ausdem nach einem bereits abgeschlossenLiefervertrag zusätzlich vier MW ther-mische Leistung für das Fernwärmenetzder Zukunftsenergie Sauerlach GmbHgeliefert werden. Die Ausschreibung fürdas Kraftwerk erfolgt auf der Basis derDaten nach den Kurzzeitpumpver-suchen. Nach Abschluss der Langzeit-pumpversuche wurden aktualisierteWerte für Thermalwasserschüttung,-temperatur und -zusammensetzungan die Bieter gesandt.Die Ausschreibungerfolgt systemoffen (ORC- oder Kalina-Prozess) an einen Generalunternehmer,der das Kraftwerk und den Thermal-wasserkreislauf (ausgenommen Boh-

rungen und Tauchkreiselpumpe)schlüsselfertig liefern soll. Es wird miteiner Vergabe im Frühjahr 2010 ge-rechnet, was eine Inbetriebnahme desGeothermiekraftwerks Ende 2011 er-möglichen würde. In der Anlage sollendann jährlich 40.000 MWh Strom (ent-sprechend dem Bedarf von 16.000Münchner Haushalten) und 4.000 MWhWärme erzeugt werden, was einer CO2-Einsparung von 40.000 to/a entspricht.

Den momentanen Arbeitsschwerpunktim Projekt Sauerlach bildet neben derPlanung des Kraftwerks und des Ther-malwasserkreislaufs die Aufarbeitungder gesammelten Daten und Erfah-rungen sowohl in geologischer und bohr-technischer Hinsicht als auch was dieüberraschend niedrigen Schüttungender Bohrungen Th2 und Th3b,und nichtzuletzt organisatorische Aspekte betrifft.Die nächsten Geothermieprojekte der

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Stadtwerke München werden der Wär-meeinspeisung in die Münchner Fern-wärmenetze dienen. Für weitere geo-thermische Stromprojekte – vorrangigmit kombinierter Wärmelieferung –laufen die geologischen Erkundungen inden Erlaubnisfeldern Dingharting undDießen.

Literatur

[1] Schubert A.: Geothermische Dublette Riem

für die kommunale Fernwärmeversorgung der

Stadtwerke München; GtV Tagungsband, 2004

[2] Barenth F., Frank N., Pletl Ch.: Geothermie-

anlage München-Riem: 5 Jahre erfolgreicher

Betrieb; Geothermiekongress 2009, Bochum,

19.11.2009

[3] Müller-Ruhe W.: Komplettierung der Dub-

lettenbohrung für das Geothermieprojekt

Unterhaching; bbr (5) 2007, S. 24-30

Abbildungen: Abb. 1+2: Stadtwerke München

GmbH, Abb. 3-10: Erdwerk GmbH

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