Isolating advective signatures in temperature logs

Zschocke, Andrei; Clauser, Christoph

doi:28086

Isolating advective signatures in temperature logs = Isolation Advektiver Signaturen in Temperaturlogs

Zschocke, Andrei (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andrei Zschocke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangXV, 70 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clauser, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-06-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20136
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52283/files/Zschocke_Andrei.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geothermik (Genormte SW) ; Wärmeanomalie (Genormte SW) ; Fließgeschwindigkeit (Genormte SW) ; Fließrichtung (Genormte SW) ; Temperaturmessung (Genormte SW) ; Korrektur (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Wärmetransport (frei) ; Advektion (frei) ; Darcy-Fluss (frei) ; Formationstemperatur (frei) ; Horner-Methode (frei) ; geothermics (frei) ; darcy flow (frei) ; thermal signatures (frei) ; Horner's method (frei) ; correction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550
pacs: 91.35.Dc * 91.65.My * 92.40.Kf

Kurzfassung
Geothermie ist eine Disziplin der Geophysik, die sich mit stationären oder transienten Einflüssen auf das Temperaturfeld im Untergrund beschäftigt. Die Temperaturverteilung kann charakteristisch ausgeprägt sein, so dass sich die einzelnen Prozesse anhand ihrer thermischen Signatur unterscheiden und quantifizieren lassen. Der dominierende Wärmetransportmechanismus in der Erdkruste ist die Diffusion. Weitaus effektiver breitet sich Wärme durch den Prozess der Advektion aus, so dass das Temperaturfeld im Untergrund ein sensibler Indikator für kleinste Grundwasserbewegungen sein kann. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Einflüsse: Dazu zählen die Heterogenität der Gesteinseigenschaften, die Wärmeproduktion oder die paläoklimatische Veränderung der Temperatur an der Erdoberfläche. Die Herausforderung in der Interpretation von Temperaturdaten besteht im Wesentlichen darin, eine Signatur aus mehreren sich überlagernden Signaturen zu isolieren. Gelingt dies nicht vollständig, führt die Analyse, in Abhängigkeit von Signaturform und -amplitude, zu verfälschten Ergebnissen. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Quantifizierung des Grundwasserfließens (Darcy-Fließen) anhand der Analyse von Temperaturlogs. Im Vordergrund steht hier die neu entwickelte „Schichtfolgende Strömungsanalyse“, mit der man Fluidbewegungen entlang von Horizonten bestimmen kann. Zudem wird auf Störeffekte eingegangen, die bei Strömungsanalysen beachtet werden müssen. Klassische Methoden, wie die Interpretation von hydraulischen Daten, stellen Fließregime im regionalen Maßstab oft ungenügend dar. Der vorgestellte Ansatz erweitert das Methodenrepertoire und bezieht in diesem Arbeitsumfeld weitgehend ungenutzte Daten mit ein. Man erhält, in Abhängigkeit von der räumlichen Datenverteilung und den stattfindenden Wärmetransportmechanismen, Ergebnisse unterschiedlicher Aussagekraft. Von entscheidender Bedeutung ist dabei insbesondere das Verhältnis zwischen dem Grundwasserfluss und dem Temperaturgradienten. Eine Fallstudie aus dem Gebiet des Alpinen Molassebeckens ergab lediglich eine Untergrenze für den Betrag der Fließgeschwindigkeit. Bei einer weiteren Fallstudie aus dem Gebiet Dömitz-Lenzen im Norden Deutschlands konnte aus zusätzlichen, unabhängigen Daten zunächst die Richtung des Fließweges bestimmt werden. Durch diese Vorkenntnis war es möglich, den absoluten Betrag der Fließgeschwindigkeit abzuschätzen. Das gesamte Potenzial der Methode abzurufen, das heißt zusätzlich die Richtung regionalen Fließens zu bestimmen sowie Genauigkeit von Richtung und Betrag anzugeben, ist unter idealen Bedingungen, wie bislang nur in einem synthetischen Datensatz vorzufinden, möglich. Neben den natürlichen Prozessen, die störend auf eine Strömungsanalyse wirken können, wird auf die Beseitigung technisch bedingter Störungen in den Temperaturdaten eingegangen. Dichte Temperaturlogs, welche die Formationstemperatur um die Bohrung so genau wie möglich widerspiegeln, sind die beste Voraussetzung für geothermische Untersuchungen. Durch Bohrbetrieb und Spülungsumlauf ist jedoch die erforderliche Qualität der Daten oft nicht gegeben. Das weit verbreitete „Horner-Verfahren“, zur Korrektur dieser Effekte, kommt häufig nicht zum Zuge, da meist eine zeitliche Folge von Temperaturmessungen, auf denen das Verfahren basiert, nicht vorhanden ist. Es wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, Temperaturlogs zu korrigieren, selbst, wenn keine Wiederholungsmessungen vorliegen. Die Theorie des „Horner-Verfahrens“ wird hierzu mit einer Abschätzung des radialen Wärmeflusses von der Bohrung in die Formation kombiniert. Im Hinblick auf die hohe Anzahl technisch gestörter Temperaturdaten, erweitert dieser Ansatz erheblich die potenzielle Datenbasis für geothermische Methoden. Die sich daraus ergebenden Implikationen werden für die Analyse von Fluidbewegungen diskutiert und für ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld, „Die Rekonstruktion der Temperaturhistorie an der Erdoberfläche“, beschrieben.

Geothermics as a discipline of Geophysics deals with the description of the thermal regime, its variation in time, and the associated processes. These processes can be quantified by their characteristic thermal signature observed in temperature records. Heat transfer in the Earth’s crust occurs primarily by thermal diffusion. On the other hand, heat advection due to groundwater flow in general is a more efficient transport mechanism. Therefore, the subsurface temperature field can be a sensitive indicator of even small flow rates. The challenge is to isolate the desired thermal signature from interfering signatures. This is achieved by eliminating the thermal signatures of all other processes and factors from the temperature data which may be caused by heterogeneity of thermal rock properties, heat generation, and transient variations of the ground surface temperature. Otherwise, these signatures may be misinterpreted leading to false conclusions. This work focuses on quantifying groundwater flow (Darcy flow) and eliminating technical perturbations from temperature logs. Both main topics complement each other because the analysis of groundwater flow on temperature data will benefit from an improved database. In turn, the flow analysis provides useful information to constrain results from classic approaches, for instance interpretation of hydraulic data. The factors and processes which eventually disturb a flow analysis are introduced. The importance of disturbing effects depends on both magnitude and shape of the superposed thermal signatures. Subsurface Darcy flow can be identified by its characteristic thermal signature. Here, a simple geothermal technique is proposed for quantifying regional strata-bound flow based on a detailed analysis of borehole temperatures. Depending on the spatial data distribution and the involved heat transfer mechanisms this method yields results of different quality. In particular, the relation between subsurface flow and temperature gradient has a strong influence. In a case study with data from the Alpine Molasse Basin, the method yields a lower bound for the flow magnitude. Another case study is from the Dömitz-Lenzen area in northern Germany and yields the magnitude of the regional flow owing to a larger data set and information on the direction of flow from additional, independent information. Under optimum conditions, this method also yields an estimate of the direction of regional strata-bound groundwater flow as well as the uncertainty in magnitude and direction. Finally, the full potential of the method is demonstrated using a synthetic data set. Ideally, a geothermal investigation is based on densely sampled, high-precision temperature logs from boreholes. They need to represent the formation temperature as accurately as possible. Often, temperature measurements influenced by the drilling process and the associated mud circulation are not of sufficient quality for geothermal methods. Horner’s method is a widely used correction method which is based on an analysis of a time series of temperature records. Mostly, these data are not available and a correction is therefore not possible. The approach presented here in the second focus of this work enables to correct entire temperature logs even if no repeat measurements are available. This is achieved by combining the theory behind Horner’s method with estimates of radial heat flow. Given a large number of technically perturbed logs, this new approach enlarges considerably the potential data base suitable for geothermal methods. The implications for two important fields of application are discussed: Analysis of fluid flow and of the ground surface temperature history.

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