Original paper

The GeneSys project a contribution of GEOZENTRUM Hannover to the development of Enhanced Geothermal Systems (EGS)

Kehrer, Peter; Orzol, Jens; Jung, Reinhard; Jatho, Reiner; Junker, Ralf

Abstract

Since 2001, an integrated research group of BGR- and GGA-Institutes within GEOZENTRUM Hannover is testing new concepts for the extraction of heat from tight sediments based on the experiences and results of the European hot dry rock project Soultz in the Rhine Graben. The GeneSys project (Generated Geothermal Systems) currently is divided in two components: an R&D project testing new concepts in an abandoned gas well serving as a geothermal in-situ laboratory (GeneSys Horstberg) and a demonstration project to apply these concepts in a newly drilled well to heat the office buildings of GEOZENTRUM Hannover (GeneSys Hannover).The original approach of a single borehole to recover hot water for direct use (heat) from tight sedimentary rock formations at great depth has been tested in the abandoned gas well Horstberg Z1 in the North German Basin about 80 km NE of Hannover. The concept assumes that though the overall permeability of these formations is low, open flow paths (faults, fracture zones, or intersections of them) exist even at great depths and that these paths can be accessed from a borehole by creating extremely large fractures opened by hydraulic fracturing. The hot water produced will then be reinjected after use via the annulus in the same borehole into a permeable rock formation at more shallow depths. Massive water-frac tests were performed in a sandstone layer of the Middle Buntsandstein Formation at a depth of 3800 m by injecting more than 20 000 m3 of fresh water at flow rates up to 50 l/s and at a wellhead pressure of about 330 bar. Fracture propagation was monitored by a comprehensive geophysical programme including microseismicity, electric self potential, and tiltmeter measurements.The results of post-frac hydraulic experiments and several production tests showed that in the case of the test well Horstberg Z1 the original concept proved only partially successful: extrapolations showed that the required flow rate of 25 m3/h can not be maintained due to the insufficient yield of the formation accessed by the fracture. Therefore alternative concepts taking advantage of the hydraulically produced tensile frac with high storage capacity and substantial transmissivity were developed and then successfully tested. First a cyclic "huff puff" production and injection pattern using the frac plane as a cyclic heat exchanger. Second a deep circulation concept with communication between two sandstones layers connected by the frac and separated by a packer within the well. By production from one sandstone layer and reinjection into another sandstone layer, a continuous circulation similar to a borehole doublet is created. Numerical modelling shows that these concepts could provide the required thermal power of approximately 2 MW for 20 years.The GeneSys single-well-concept (Generated Geothermal Systems) is considered to be economically relevant for consumers of medium size (a few MW thermal power) and will be demonstrated in a 3800 m deep borehole planned for 2007 on the campus of the GEOZENTRUM Hannover for space heating of its offices and laboratories.

Kurzfassung

Seit dem Jahr 2001 entwickelt und testet eine Forschungsgruppe von Mitarbeitern der BGR und des GGA-Institutes im GEOZENTRUM Hannover neue Konzepte zur Nutzung von Wärme aus gering permeablen Sedimenten auf den Erfahrungen und Ergebnissen des Europäischen Hot Dry Rock-Projektes Soultz im Rheingraben. Das GeneSys-Projekt besteht momentan aus zwei Teilprojekten: ein F&E-Projekt zum Test neuer geothermisch-hydraulischer Konzepte in der aufgelassenen Gasbohrung als geothermisches in-situ-Labor (GeneSys Horstberg) und ein Demonstrationsvorhaben, in welchem die Konzepte in einer eigens abgeteuften Tiefbohrung angewandt werden sollen, um das Bürogebäude des GEOZENTRUMs Hannover zu beheizen (GeneSys Hannover).Der ursprüngliche Ansatz eines Ein-Bohrloch-Verfahrens zur Gewinnung und unmittelbaren Nutzung von Thermalwasser aus gering permeablen Gesteinsformationen aus großen Tiefen wurde in der aufgelassenen Gasbohrung Horstberg Z1 im Norddeutschen Becken ca. 80 km NE von Hannover getestet. Bei diesem Konzept wird angenommen, dass, obwohl die Gesamtpermeabilität dieser Formationen gering ist, dennoch Wegsamkeiten (Störungen, Störungszonen und deren Überschneidungen) in großen Tiefen existieren und dass diese an ein Bohrloch angeschlossen werden können, indem man extrem große Risse durch hydraulisches Fracturing erzeugt. Das heiße Wasser wird nach der Nutzung über den Ringraum der gleichen Bohrung in eine permeable Formation in geringerer Teufe verpresst. In einer Sandstein-Schicht der Formation des Mittleren Buntsandsteins wurde in einer Teufe von 3800 m ein massiver Wasser-Frac-Test durchgeführt, indem mehr als 20 000m3 Frischwasser bei Flussraten von bis zu 50 l/s bei einem Bohrlochkopfdruck von ca. 330 bar injiziert wurden. Die Rissausbreitung wurde durch ein umfangreiches geophysikalisches Messprogramm, welches Mikroseismizität, Eigenpotenzial und Neigungsmessungen beinhaltete, überwacht.Die Ergebnisse der hydraulischen Tests nach der Stimulation und verschiedener Produktionstests haben gezeigt, dass im Fall der Bohrung Horstberg Z1 das ursprüngliche Konzept nur eingeschränkt erfolgreich angewandt werden konnte: Entsprechend der extrapolierten Messwerte konnte die benötigte Flussrate von 25 m3/h nicht langfristig aufrecht erhalten werden, da die Formation, die über den Riss angeschlossen wurde, nicht genügend Zufluss erbrachte. Aus diesem Grund wurden andere, alternative Konzepte entwickelt und erfolgreich getestet, welche die Vorteile der hohen Speicherkapazitäten und der beträchtlichen Transmissivität des künstlich erzeugten Spannungsrisses ausnutzten. Zuerst wurde ein so genannter ,,Huff-Puff-Test, also ein Test mit zyklischen Injektions- und Produktionsphasen durchgeführt, wobei die Rissfläche als Wärmetauscher fungierte. Danach erfolgte die Umsetzung eines Tiefenzirkulationskonzeptes, bei dem ein Packer in der Bohrung gesetzt wurde, um dann die hydraulische Kommunikation zwischen zwei Sandstein-Schichten über den künstlichen Riss zu erproben. Durch die Produktion aus dem einen Sandstein und der gleichzeitigen Reinjektion in den anderen Sandstein konnte, ähnlich wie bei einer Bohrlochdublette, eine dauerhafte Zirkulation erzeugt werden. Numerische Modellierungen zeigen, dass diese Konzepte die benötigte thermische Leistung von ca. 2 MW für einen Zeitraum von 20 Jahren liefern können.Das Konzept GeneSys (Generierte Geothermische Systeme) ist für Wärmeabnehmer mittlerer Größe (einige MW thermischer Energie) ökonomisch interessant und wird im Rahmen eines Demonstrationsvorhabens in einer 3800 m tiefen Bohrung auf dem Gelände des GEOZENTRUMs Hannover zum Zwecke der Beheizung von Büround Laborräumen realisiert.

Keywords

geothermal energyhydraulic fracturingstimulation testsedimentsresearchdemonstration projectheat extraction