Optimizing the thermal conductivity of alternative geothermal grouts

Jean Cô, té, , Vahid Masoumifard, É, loïse Noreau

In the proceedings of: GeoManitoba 2012: 65th Canadian Geotechnical Conference

Session: M1D - Hydrogeology

ABSTRACT: Sand/bentonite grouts are used in geothermal boreholes as filling materials to ensure good thermal contact between heat exchanger pipes and surrounding ground. Because of its high thermal conductivity, quartz sand is generally selected to increase heat exchange rates and reduce overall required borehole lengths. The filling material must also have a low hydraulic conductivity to protect groundwater from contamination in case of exchanger pipe failure. The quartz sand is generally mixed with 25% of bentonite to meet with a hydraulic conductivity criterion. This paper studies the potential use of sand/bentonite grouts made of mine wastes as an economic and ecological alternative to the quartz sand on the basis of a hydraulic conductivity criterion. Thermal and hydraulic conductivities were measured in the laboratory for mine waste grouts with various bentonite contents. It is shown that a bentonite content of 12% is required to meet with a hydraulic conductivity criterion of 10-7 cm/s. Such a grout has a thermal conductivity of 1.36 W/m°C. The study also shows that this thermal conductivity value leads to insignificant increased borehole lengths compared to typical quartz/bentonite grouts generally used by the geothermal energy industry.

RÉSUMÉ: Les coulis de sable/bentonite sont utilisés comme matériaux de remplissage dans les puits géothermiques pour assurer un bon contact entre les conduites le sable de quartz est sélectionné en raison de sa grande conductivité thermique qui permet de réduire la longueur des puits de forage. Le matériau de remplissage doit aussi avoir une faible conductivité hydraulique pour réduire le risque de contamination en cas de bris de conduite. Le sable de quartz est donc mélangé avec 25% de bentonite pour rencontrer un critère de conductivité hydraulique. coulis de sable/bentonite à base de résidus miniers comme alternative économique et écologique au sable de quartz. Les conductivités hydrauliques et thermiques ont été mesurées en laboratoire pour des coulis de résidus miniers ayant requise pour rencontrer un critère de conductivité hydraulique de 10-7 cm/s. Un tel coulis a une conductivité thermique de 1,36 W/m°C. montre que cette conductivité thermique mène à une augmentation de la longueur des puits de forage non significative comparativement aux coulis typiques à base de quartz/bentonite généralement utilisé dans .

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