Schlussbericht
(Deutsch)
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Schlüsselwörter: Temperaturlog, Wärmeleitfähigkeit, Porosität, Cuttings, Erdwärmesonden Ziel der Untersuchung ist das Bereitstellen der Grundlagen wie Untergrundstemperaturen, Wärmeleitfähigkeit und Porosität der Gesteine sowie Wärmeflussberechnungen zur geothermischen Kartierung im Kanton Zürich und den angrenzenden Gebieten der Kantone AG, SZ und SG. Mit einer von den Autoren entwickelten und bereits patentierten kabellosen Temperaturmesssonde, genannt NIMO-T (Non-wired Immersible Measuring Object for Temperature) (Figur 1) wurden im Kanton Zürich und angrenzenden Gebieten in Erdwärmesonden der Temperaturverlauf des Untergrundes bis rund 300 m Tiefe gemessen. Solche Messungen sind möglich, wenn die installierten Sonden hinterfüllt, noch nicht an die Wärmepumpe angeschlossen sind und das Wasser in den Sondenrohren während mindestens 7 Tagen nicht bewegt wird. Insgesamt wurden in 33 Bohrungen Temperaturmessungen gemacht (Figuren 12 – 40), davon in 24 auch Wärmeflussbestimmungen (Tabelle 9). Die mit einem integrierten Minidatenlogger ausgestattete NIMO-T Messsonde (Gewicht 100 g, Länge 20 cm, Durchmesser 2 cm) sinkt durch das Eigengewicht mit einer Geschwindigkeit von ca. 7 m pro Minute in einem mit Wasser gefüllten U-förmigen Sondenrohr ab und registriert ungefähr alle 25 cm einen Temperatur- und einen Druckwert (Messtiefe). Die relative Messgenauigkeit der Temperatur liegt bei ±0.0015 °K diejenige der Messtiefe bei ±20 cm. Die Messsonde lässt sich nach Erreichen der Endtiefe mit einer Pumpe leicht bergen und die Messdaten werden an einem Labtop ausgelesen. Für die Bestimmungen des geothermischen Wärmeflusses müssen die Wärmeleitfähigkeiten der Gesteinsschichten im Zustand vor deren Zerstörung (kompaktes, unter Druck stehendes wassergesättigtes Gestein) ermittelt werden können. Labormessungen an Bohrproben (Cuttings) können diese Bedingungen nur annähernd simulieren. Die Wärmeleitfähigkeit und die damit verbundene Porosität wurden durch Vergleichsmessungen an festen Gesteinen (Bohrkerne oder Handstücke) verglichen und kalibriert. Die Zuverlässigkeit der Wärmeflussbestimmungen hängt von der Genauigkeit der Wärmeleitfähigkeitsmessungen ab. Der Temperaturgradient kann in einem Tiefenabschnitt mit konstanter Temperaturzunahme leicht fixiert werden mit einer Genauigkeit von besser als 2 °K/km. Die Temperaturen sind in den obersten 20 m von saisonalen Klimaschwankung gepräg, zwischen 20 und etwa 100 m von einer langfristigen Klimaerwärmung während der letzten 200 bis 300 Jahre (Figur 42). Unterhalb von 100 m ist die Zunahme mehr oder weniger linear; die zwischen 100 und 300 m gemittelten Gradienten variieren in den untersuchten Bohrungen zwischen 25 bis 40 °C/km. Die Temperaturen in 300 m Tiefe waren zwischen 18 und 22.5 °C (Figur 48). Es wurde eine allgemeine Zunahme der Untergrundstemperaturen in allen Tiefenlagen von Südosten nach Nordwesten festgestellt; die Zunahme in dieser Richtung beträgt über eine Distanz von 50 km 1 – 2 °K. Zudem wurden lokal erhöhte Temperaturen im Raum Niederweningen-Dielsdorf-Bülach gefunden, welche durch tiefliegende, aufwärtsgerichtete Wasserbewegungen entlang tektonischer Störungszonen in Zusammenhang mit der Lägern-Antiklinale und des Permokarbontrog verursacht werden könnten. Die Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass nur bei Sandsteinen eine lineare Korrelation mit einem Korrelationskoeffizienten grösser als 0.9 besteht (Figuren 59 und 60). Die an Cuttings bestimmte ‚in-situ’ Wärmeleitfähigkeit, abgeleitet aus der Matrixwärmeleitfähigkeit und der aus der Porosität bestimmten Wasseranteils, kann bis zu 20% gegenüber derjenigen von festen Bohrkernen aus derselben Tiefe abweichen (Figur 63). Im Allgemeinen liegt diese Abweichung aber zwischen 5 und 10%. Es wurden insgesamt 69 Wärmeflussbestimmungen in verschiedenen Tiefenbereichen durchgeführt, d.h. 2 bis 4 pro Bohrung; in jeder Bohrung wurde der mittlere Wärmefluss berechnet (Tabelle 8). Für die Berechnungen wurden nur Temperaturdaten verwendet, welche von Klimaeffekten oder Wasserkonvektionen unbeeinflussten sind. Trotzdem wurden vertikale Variationen des Wärmeflusses festgestellt. Nur in 6 Bohrungen zeigt sich ein konstanter Wärmefluss mit weniger als 5% Streuung. Die gefundenen Werte zeigen einen ähnlichen Trend (Zunahme gegen Nordwesten von 70 auf 100 mW/m2) (Figur 67) wie in der bestehenden Wärmeflusskarte der Nordschweiz. In 6 von 24 untersuchten Bohrungen lässt sich das aus den gemessenen Temperaturlogs und dem berechneten lokalen Wärmefluss abgeleitete Wärmeleitfähigkeits-Tiefenprofil kalibrieren. Die Abweichungen zwischen den abgeleiteten Wärmeleitfähigkeiten und denjenigen an Bohrproben gemessenen sind nicht systematisch und betragen in etwa ±5% (Tabelle 16). Es gibt gab keine Vorkommnisse, die einer Weiterverwendung der Ergebnisse entgegenstehen. Die erzielten Resultate sind eine ein wesentlicher Beitrag für zur die Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen, und für die geothermische Detailkartierung; sowie darüber hinaus liefern sie Basisdaten für die Paläoklimaforschung der letzten Jahrhunderte.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Geowatt AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schärli,Ulrich
Rohner,Ernst
Signorelli,Sarah
Wagner,R.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Keywords: Temperature log, cuttings, thermal conductivity, porosity, borehole heat exchangers The aim of these investigations is to create a first basic data set for geothermal mapping in Kanton Zurich an adjectent regions. This datasThese data contains provide undisturbed ground temperatures, thermal conductivities and porosities of rocks as well as heat flow determinations. The temperature profiles in the ground have been logged, to depths up to 300 m in several borehole heat exchangers, in the Canton Zurich and adjacent regions. A new, patented wireless instrument developed by the authors (NIMO-T / Non-wired Immersible Measuring Object for Temperature) (figure 1) was used to perform the measurements. Such measurements are possible in backfilled boreholes with installed double U-tube heat exchangers, not yet connected to the heat pump, filled with water standing since min. 7 days. A total of 33 boreholes have been measured (figures 12 – 40); 24 of them enabled heat flow determinations (table 9). The NIMO-T probe (weight 100 g, length 20 cm, diameter 2 cm; with a built-in miniature datalogger) sinks though its own weight with about 7 m per minute in one of the water-filled U-tube limbs and records every 25 cm a temperature and pressure (=measuring depth) value. Relative temperature accuracy is ± 0.0015 °K, for depth ± 20 cm. After the probe has reached the U-tube bottom it can be easily flushed back to the surface by pumping, where data readout to a laptop computer follows. For terrestrial heat flow determinations the rock thermal conductivities (of the undisturbed, water-saturated, compact rocks at in-situ pressure) would be needed. Laboratory measurements on rock samples (cores, cuttings) can only approximated these conditions. The thermal conductivities and related porosities of cuttings have been compared and calibrated by measurements on cores. The ground temperatures are influenced in the uppermost 20 meters by seasonal surface temperature variations, between 20 and about 100 m depth by climatic warming in the past 200-300 years (figure 42). Below 100 m the temperature increase with depth is more ore less uniform; the gradients, averaged between 100 and 300 m, varied in the investigated boreholes between 25 and 40 °K/km. The temperatures at 300 m were in the range 18.0 and 22.5 °C (figure 48). A general increase of ground temperatures at all depths from southeast towards northwest has been found; the increase in this direction amounts to 1 – 2 °K over 50 km. In addition, locally increased temperatures have been found in the area Niederweningen-Dielsdorf-Bülach, which could be caused by deep groundwater moving upward along tectonic fault zones, structurally related to the Lägern anticline and the Permocarboniferous trough. The reliability of heat flow determinations depends on the accuracy of thermal conductivities; linear temperature gradients in a depth range can be easily fixed visually with an accuracy of < 2 °K/km. The comparison between cores and cuttings show only for sandstones lithologies a linear correlations with r2 > 0.9 (figures 59 and 60). The thermal conductivity determined on cuttings (calculated from matrix conductivity and water-filled porosity) can deviate up to 20 % from the measurement on a solid rock core taken at the same depth (figure 63). In general the deviations are within the range 5 – 10 %. A total of 69 heat flow determinations at various depth intervals could be performed, about 2 – 4 values per borehole; from which the average heat flow of the borehole was calculated (table 8). For the calculation only temperature data uninfluenced by surface temperature changes or groundwater movements were taken. Nevertheless there have been vertical heat flow variations; only 6 boreholes exhibited constant heat flows. The values found exhibit also the increasing trend from SE to NW. (from 70 to100 mW/m2) (figure 67), already indicated by the Heat Flow Map of Switzerland. 6 of 24 investigated boreholes enables enable an accurate calibration of the thermal conductivity profiles derived from the measured temperature logs and the calculated local heat flow value. The deviations between derived thermal conductivities and those measured on rock samples are randomly random with and amount to about 5 %. There are not any occurrences which are against the futural usabiltywere no incidents that would limit the future applicability of the results. The obtained results are provide an essential contribution for to the dimensioning of vertical borehole heat exchanger systems, the to detailed geothermal mapping and theto current paleoclimate developmentsresearch.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Geowatt AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schärli,Ulrich
Rohner,Ernst
Signorelli,Sarah
Wagner,R.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Mots clés: log de température, cuttings, conductivité thermique, porosité, sonde géothermique Le but des expériences décrites est de créer un premier ensemble de données dans le but
d'une cartographie géothermique du Kanton de Zürich et des régions adjacentes. Ces données sont constituées des températures du sol à l'équilibre, des conductivités thermiques
et des porosités des roches ainsi que des flux thermiques. Les profils thermiques dans le sol ont été mesurés jusqu'à des profondeurs de 300 m dans différentes sondes géothermiques, dans le Canton de Zürich et différentes régions adjacentes. Un nouvel instrument breveté développé par les auteurs (NIMO-T / Non-wired Immersible Measuring Object for Temperature) (figure 1) a été utilisé pour réaliser les mesures. Ces mesures sont possibles dans des forages dans lesquels le double U de la sonde a été installé, mais pas encore relié à la pompe à chaleur, et rempli avec de l'eau immobile depuis an moins 7 jours. Au total, 33 forages ont été mesurés (figures 12 - 40), et 24 d'entre eux ont autorisé une détermination du flux thermique (tableau 9). L'instrument NIMO-T (poids 100g, longueur 20 cm, diamètre 2 cm, comprenant un enregistreur miniature) descend grâce à son propre poids dans l'un des tubes en U de la sonde à la vitesse de 7 m par minute et enregistre tout les 25 cm la température et la pression (ce qui revient à la profondeur). La précision de la mesure de température est de ± 0.0015 °K, et de ± 20 cm pour la profondeur. Une fois que le NIMO-T a atteint le fond du tube, il peut être facilement ramené à la surface en injectant de l'eau dans l'autre moitié du tube. Les données sont ensuite lues sur un ordinateur. Dans le but de déterminer le flux thermique terrestre, les conductivités thermiques des roches (non dérangées, saturées en eau, compactées à la pression in-situ) sont nécessaires. Les mesures sur échantillon en laboratoire peuvent seulement approcher ces conditions. La conductivité thermique et la porosité des cuttings ont été comparées et
calibrées avec des mesures sur des carottes. La température du sol est influencée dans les premiers 20 mètres par les variations saisonnières de température de la surface, et entre 20 et 100 m de profondeur par le réchauffement climatique des dernières 200 à 300 années. Au-delà de 100 m, l'augmentation de la température avec la profondeur est plus uniforme; les gradients, moyennés entre 100 et 300 m, ont varié dans les forages entre 25 et 40 °K/km. Les températures à 300 m étaient comprise entre 18 et 22.5 °C. Une augmentation générale des températures de l'ordre de 1 à 2 °K du sud-est au nord-ouest a été mise en évidence. D'autre part, des anomalies locales ont été rencontrées dans la zone de Niederweningen-Dielsdorf-Bülach. Ces anomalies locales pourraient être causées par des remontées d'eaux chaudes profondes le long de failles, structurellement reliées à l'anticlinal de Lägern et au fossé Permocarbonifère.
La fiabilité des déterminations du flux thermique dépend de la précision des conductivités thermiques; les gradients de température linéaires dans un intervalle de profondeur donné
peuvent être facilement déterminés avec une précision de 2 °K/km. Des corrélations linéaires avec r2 > 0.9 ont été trouvées pour les lithologies gréseuses. La conductivité thermique déterminée sur des cuttings (calculée à partir de la conductivité de la matrice et des pores remplis d'eau) peut s'éloigner de 20 % des mesures sur une carotte solide prise à la même profondeur. En général, les écarts sont de l'ordre de 5 – 10 %. Au total, 69 déterminations de flux thermique à différents intervalles de profondeurs ont pu être réalisées, soit environ 2 à 4 par forage, à partir desquels le flux thermique moyen pour le puits a été calculé. Pour ce calcul, uniquement les données de température non influencées par les variations surfaciques ou des mouvement d'eaux souterraines ont été pris en compte. Néanmoins, certaines variations verticales du flux thermique ont été calculées; seulement 6 forages ont montré un flux constant. Les valeurs calculées mettent également en évidence une augmentation du flux du SE en direction du NO (de 70 à100 mW/m2, figure 67), ce qui confirme les informations de la carte du flux géothermique en Suisse. Ces 6 forages ont autorisé la calibration des profils de conductivité thermique dérivés des logs de température mesurés et de la valeur du flux thermique local calculé. L'écart entre la conductivité thermique déduite et celle mesurée sur les échantillons est aléatoire et est estimé en moyenne à 5 %. Aucun incident de devrait limiter les possibilités d'application futures de ces résultats. Les résultats fournissent une contribution essentielle pour le dimensionnement des sondes géothermiques, la cartographie géothermique et pour les recherches actuelles sur le paléoclimat.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Geowatt AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schärli,Ulrich
Rohner,Ernst
Signorelli,Sarah
Wagner,R.
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