Zustandsüberwachung von Geothermie-Brunnenschächten

Überblick

Geothermische Bohrungen werden abgeteuft, um Energie aus der Erde zu gewinnen. Die Nutzung der Erdwärme hat das Potenzial, ein äußerst effizientes Mittel zur Bekämpfung des Klimawandels sein. Eine angemessene Inspektion der Rohrtouren, bei denen es sich meist um teleskopartig-konzentrisch ineinandersteckenden Rohre mit unterschiedlich großen Durchmessern handelt, ist ein wichtiger Bestandteil des Bohrlochmanagements. Zu den vorhandenen Techniken gehören die Prüfung der mechanischen Unversehrtheit, die Druck- und Temperaturüberwachung, die Entnahme von Wasserproben aus dem Untergrund und die verteilte Temperaturerfassung. All diese Techniken werden entweder für die Überwachung eines bestimmten Teils eines Bohrlochs oder für die allgemeine Brunnenüberwachung eingesetzt. Der Einsatz von Zustandsüberwachungsmethoden hat mehrere Vorteile, da sie die Lebensdauer der Ausrüstung durch frühzeitige Erkennung verlängern und somit die Wartungskosten senken.

TWI ist an dem Gemeinschaftsprojekt Science for Clean Energy (S4CE) beteiligt, an dem 22 Partner aus neun Ländern beteiligt sind, deren Ziel es ist, verschiedene Themen wie Kohlenstoffbindung und Geothermie zu behandeln, um den Kohlenstoff-Fußabdruck unserer wachsenden Gesellschaft zu verringern.

Ziele

Bei einer Geothermiebohrung werden die einzelnen Bestandteile der Rohrtour (englisch casing), mit zunehmender Teufe und abnehmendem Rohrdurchmesser, als Standrohr, Leit- oder Ankerrohr, Zwischenrohr und schließlich als Förder-, End- oder Produktionsrohr bezeichnet.

Die Aufgabe des TWI besteht darin, die am besten geeignete Technik oder Kombination von Techniken für die Überwachung geothermischer Bohrlochverkleidungen zu ermitteln. Die wichtigsten zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Zustandsüberwachung sind:

Akustische Emission (AE)
Geführte Wellen (GW)
Schwingungsanalyse (Vibrationsanalyse, VA)

Ziel ist es, eine Schädigung rechtzeitig zu erkennen und somit ein katastrophales Versagen zu vermeiden.

AE-Versuch an einem typischen Arbeitsrohr: Zustandsüberwachung mithilfe von akustischer Emission

Lösung

Die AE-Untersuchung wurde an einem Stahl-Arbeitsrohr aus einem Geothermiefeld in Cornwall und an einem mit Beton ummantelten Rohr durchgeführt. Die GW-Untersuchung wurde an demselben Betonrohr eingesetzt, um die beiden Methoden miteinander zu vergleichen. Die Finite-Elemente-Analyse wurde für ein typisches Stahl-Arbeitsrohr durchgeführt, um die Fähigkeit der geführten Wellen zu untersuchen, sich entlang verschiedener Stahl- und Betonschichten auszubreiten. VA wurde an demselben Produktionsstahlrohr mit einem Hammer durchgeführt, um einen Riss zu simulieren.

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Dämpfungsrate bei AE-Überwachung sehr vielversprechend ist, was die Möglichkeit angeht, den Riss zu erkennen, während er sich entwickelt.

Die GW-Untersuchung, die für das Betonrohr eingesetzt wurde, zeigte eine höhere Dämpfungsrate, die aber für den Zweck dieser Anwendung noch akzeptabel ist. Schließlich wurde bei der Schwingungsanalyse (VA), die an der Stahlverrohrung durchgeführt wurde, eine viel höhere Dämpfungsrate im Vergleich zur AE- und GW-Untersuchung erzielt, insbesondere bei Stimuli mit höherer Amplitude.

Schlussfolgerung

Aufgrund der vielversprechenden Dämpfungsrate von AE und GW arbeitet das TWI derzeit an der Fertigstellung eines Systems, das beide Techniken zur Überwachung des Bohrlochs auf ein und derselben Plattform vereint. Die Software des Systems wird für die Verwaltung der während der AE- und GW-Versuche erfassten Daten verantwortlich sein. Diese Daten werden mit Hilfe eines geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmus verarbeitet, der letztlich darauf abzielt, einen Rohrbruch zu erkennen, lange bevor er sich in der Struktur ausbreitet.

Dieses Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm H2020 der Europäischen Union unter der Vertragsnummer 764810 gefördert.

GW-Versuch an einem mit Beton ummantelten Rohr: Zustandsüberwachung mit geführten Wellen

Sofia Sampethai (DE) Projektleiterin – Zustands- und Strukturintegritätsüberwachung

Sofia Sampethai ist Projektleiterin am TWI in der Abteilung Zustands- und Strukturintegritätsüberwachung. Sie ist Chartered Engineer und Mitglied von The Institute. Sie hat Chemieingenieurwesen studiert und ihren MSc an der ETH Zürich in der Abteilung für Verfahrenstechnik absolviert. Sofia Sampethai verwaltet durch Innovate UK, FP7 und H2020 geförderte Gemeinschaftsprojekte insbesondere zu den Themen Zustandsüberwachung und Sensorentwicklung, die auf das Versagen von Verbundwerkstoffen abzielen, und Integritätsüberwachung von Casings, die in der Öl- und Gasindustrie verwendet werden. Sie war auch an der Ausarbeitung von Vorschlägen für europäische und nationale Projekte sowie an der Entwicklung von Partnerschaften mit der Industrie beteiligt. Sie konzentriert sich in ihrer Arbeit auf die Erforschung und Entwicklung innovativer Lösungen im Bereich der Zustands- und Strukturintegritätsüberwachung.

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