Thermal Modeling and Inversion of Borehole Temperature Data
Creators: name: Wang, Jia
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: temperature logs
static formation temperature
wellbore simulation
Horner-plot method
heat transfer
drilling loss
inversion
surrogate model
Bayesian inference

description: Unter den erneuerbaren Ressourcen nimmt die Geothermie aufgrund ihrer Grundlastfähigkeit eine einzigartige Stellung ein. Bei der Gewinnung von geothermischen Energiequellen ist einer der entscheidenden Parameter die Formationstemperatur, die das thermische Potenzial des geothermischen Systems und die installierte Leistung der erzeugten Energie bestimmt. Um Hochtemperaturzonen zu erreichen, werden Tiefbohrungen mit fortschrittlichen Technologien wie dem Enhanced Geothermal System durchgeführt. Insbesondere die hohe Produktivität und Effizienz der Stromerzeugung aus superkritischen geothermischen Ressourcen haben in den letzten Jahren Initiativen motiviert, in ultraheiße Magmakammern zu bohren. Da die Formationstemperatur während der Bohrung jedoch in der Regel stark gestört wird, müssen die Temperaturdaten aus Bohrlöchern interpretiert werden, um die wahre Formationstemperatur im thermischen Gleichgewicht zu bestimmen, die auch als statische Formationstemperatur (SFT) bezeichnet wird. Der herkömmliche Ansatz zur Bestimmung der SFT besteht darin, Korrekturen an den Temperaturdaten vorzunehmen, die während eines ausreichenden Zeitraums nach Beendigung der Bohrung (auch Shut-in genannt) gemessen wurden. Die Anwendung einer solchen Methode kann jedoch in Hochenthalpie-Bohrlöchern auf mehrere Herausforderungen stoßen, einschließlich wirtschaftlicher und technischer Beschränkungen bei der Durchführung von Hochtemperaturmessungen während langer thermischer Erholungsphasen und Sicherheitsfragen, wenn Verrohrung und Instrumente hohen Temperaturen ausgesetzt sind. In einem solchen Zusammenhang kann es notwendig sein, andere Techniken zur Interpretation von Temperaturdaten zu verwenden, die unter einer anderen Strömungsbedingung, wie z.B. der Injektion, gemessen wurden, um diese Einschränkungen bei der Datenerfassung zu überwinden. Diese Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der SFT von Hochtemperaturbohrungen durch Anwendung numerischer Modellierungs- und Inversionstechniken auf Temperaturdaten, die unter Kühlbedingungen (oder unterkritischen Bedingungen) gewonnen wurden. Hintergrund ist das Island Deep Drilling Project, bei dem eine alte Produktionsbohrung (RN-15) zu einer neuen Explorationsbohrung (RN-15/IDDP-2) vertieft wird. Während der Bohrung trat ein ernstes Problem auf: der hohe Zirkulationsverlust in mehreren Verlustzonen. Die Messdaten zeigen, dass die Flüssigkeit am Boden des Bohrlochs einen überkritischen Zustand erreicht hat, auch wenn sich das thermische Feld nicht im Gleichgewicht befindet. Da diese Daten gemessen werden, während noch kaltes Wasser in das Bohrloch injiziert wird, stellt sich die Frage, ob es möglich ist, die SFT und unbekannte Strömungsverluste aus den Temperaturlogs der Injektion zu bestimmen. Vor diesem Hintergrund habe ich in dieser Dissertation zunächst Simulationsstudien durchgeführt, um unser Verständnis der thermischen Prozesse beim Bohren und Loggen zu verbessern. Anschließend habe ich Inversionsarbeitsabläufe entwickelt, die sowohl eine strenge Quantifizierung der Unsicherheiten in den Schätzungen als auch die Berechnung der posterioren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die SFT-Schätzungen ermöglichen. In der ersten Studie werden zunächst die Faktoren und Prozesse untersucht, die die Temperaturentwicklung im Bohrloch während der Injektions- und Shut-in-Perioden beeinflussen. Bei der thermischen Modellierung von Temperaturlogs werden verschiedene Bohrszenarien für Bohrungen mit hoher Enthalpie berücksichtigt, z.B. Injektions- und Shut-in-Bedingungen in mehreren Verrohrungssträngen und das Vorhandensein von Strömungsverlusten. In der frühen Übergangsphase des Shut-in ist die Bohrlochtemperatur sehr empfindlich gegenüber der Wärmeübertragungsrate zwischen der Bohrlochflüssigkeit und der festen Wand. Insbesondere wird die Rolle der freien Konvektion hervorgehoben, indem gezeigt wird, dass die richtige Parametrisierung der Wärmeübertragungsrate durch freie Konvektion den Wert der vorhergesagten Bohrlochtemperatur erheblich beeinflusst. Andererseits ist die Bohrlochtemperatur bei der Flüssigkeitsinjektion stark von der Durchflussrat abhängig. Diese Abhängigkeit ermöglicht die Verwendung eines Injektions-Temperaturprotokolls zur Identifizierung und Quantifizierung von Strömungsverlusten im Bohrloch. Schließlich wird die SFT aus den Temperaturlogs mit Hilfe der Horner-Plot-Methode abgeleitet. Die Ergebnisse weisen auf zwei Probleme hin: die Interpretation von Temperaturlogs, die während des Shut-in aufgezeichnet wurden, würde Daten erfordern, die nach einer langen Shut-in-Periode gemessen wurden; die Kühlung des Bohrlochs kann große Fehler bei der Schätzung der SFT verursachen. Diese Aspekte machen deutlich, dass die Anwendung der Horner-Plot-Methode in Hochtemperaturbohrlöchern sehr schwierig sein kann.