Investigation of Geothermal Well Cement Integrity in the Presence of Fibre Optic Cable Installation: A Numerical and Experimental Approach

Die Integrität des Zements ist ein entscheidender Faktor, um eine zuverlässige und nachhaltige Lebensdauer eines geothermischen Bohrlochs sicherzustellen. Dabei stellen Einflussgrößen wie zyklische thermische Spannungen, korrosive Formationsfluide sowie die geologischen Eigenschaften der Formation eine langfristige Belastungsprobe für die Bohrlochintegrität dar. Die Integration eines Glasfaserkabels bietet einen wesentlichen Vorteil für die Echtzeitüberwachung des Bohrlochs; die Installation innerhalb des Zementmantels kann jedoch lokal die Mikrostruktur stören, die Spannungsverteilung verändern und potenziell Mikrorisse und/oder Mikroannuli um das Kabel initiieren, die die Gesamtintegrität des Bohrlochs gefährden können.
Ziel dieser Arbeit ist es zu bewerten, ob die Integrität des Zementmantels durch das Vorhandensein eines Glasfaserkabels beeinträchtigt werden kann. Daher untersucht sie das gekoppelte mechanische Verhalten von Geothermie-Bohrlochzementen in Anwesenheit eingebetteter Glasfaserkabel mittels eines kombinierten experimentellen und numerischen Ansatzes. Hierzu zählen unter anderem Druckfestigkeitsprüfungen unter einaxialer Belastung (UCS), N₂-Permeabilitätsmessungen, optische und digitale Mikroskopie, Ultraschall-Messungen, indirekte Zugfestigkeitsprüfungen, Push-out-Haftverbundprüfungen nach dem Schneiden (post-cutting) sowie FEA-Simulationen und ergänzende mechanische Berechnungen.
Methodisch wurde nach einem erfolgreichen, manuellen Vorversuch zur Verbundprüfung an 1-Zoll-Probekörpern zunächst eine Simulation der Festigkeitsprüfungen durchgeführt, um die minimale Probekörpergröße für UCS-Tests mit Kabel zu bestimmen. Als Ergebnis wurden Probekörper mit einem Durchmesser von 2 Zoll als Mindestgröße identifiziert; oberhalb dieser Größe können die durch die Kabelinstallation verursachten Störeinflüsse für Zwecke der Labor-Festigkeitsprüfung vernachlässigt werden. Insgesamt wurden 32 Probekörper sowie zwei Mantelrohr-Zement-Kabel-Assemblies entsprechend zwei Zementrezepturen hergestellt, passend zu den geplanten zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfungen. Es ist wichtig hervorzuheben, dass der Ansatz dieser Arbeit neuartig war; daher mussten neue Vorgehensweisen zur Bewältigung der auftretenden Herausforderungen entwickelt werden. Beispiele hierfür sind die optimale Auslegung der Probekörpergröße, das Schneiden der Probekörper und des Mantelrohres mit möglichst geringer Schädigung des Mantelrohr-Kabel-Zement-Verbundes sowie die Entwicklung der FEA-Modelle zur Simulation der UCS-Tests.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein eines dauerhaft eingebetteten Glasfaserkabels im zementierten Ringraum die mechanische Integrität des Zementmatrix-Volumens (Bulk) von Geothermie-Bohrlochzementen nicht beeinträchtigt, sofern eine geeignete Suspension/Slurry-Formulierung und passende Aushärtebedingungen angewendet werden. Zerstörende und zerstörungsfreie Festigkeitsprüfungen weisen darauf hin, dass Festigkeit und Steifigkeit des Zements primär von der Qualität der Aushärtung bestimmt werden, wobei der Tail-Zement den Lead-Zement durchgehend übertrifft. Ultraschall-Laufzeit- bzw. Pulswellengeschwindigkeitsmessungen bestätigen den Festigkeitstrend Tail > Tail + Kabel > Lead > Lead + Kabel und zeigen dabei nur geringe Reduktionen durch die Kabelpräsenz. Im Gegensatz dazu verdeutlichen Untersuchungen nach dem Schneiden, dass das Grenzflächenverhalten sehr empfindlich gegenüber mechanisch eingebrachten Schäden ist: Schneiden und Polieren induzieren erhebliche Spannungen, die zu einer teilweisen oder vollständigen Entkopplung (Debonding) zwischen Zement und Kabel führen können, insbesondere beim Lead-Zement. Dennoch zeigen die Push-out-Tests (ebenfalls nach dem Schneiden), dass der Tail-Zement selbst nach einer Verbunddegradation eine verbleibende Kabel-Zement-Interaktion aufweist, die nahezu viermal stärker ist als jene des Lead-Zements. Insgesamt weisen die Ergebnisse darauf hin, dass langfristige Integritätsrisiken vor allem durch Grenzflächenmechanik, thermische Fehlanpassungen und Aushärtebedingungen bestimmt werden und weniger durch eine intrinsische Degradation der Zementmatrix infolge der Installation des Glasfaserkabels.