AG Risiken im geologischen System

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1 1 Fachkonferenz 27. Mai 2011 AG Risiken im geologischen System Informations- und Dialogprozess zum Aufsuchen und Fördern von Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten Dr.-Ing. Anozie Ebigbo Münster, 27. Mai 2011

2 2 Fachkonferenz 27. Mai 2011

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4 4 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Definition der Risiken Gesundheitliche Ökonomisch-Finanzielle Ökologische Technische...

5 5 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Fragen - Beispiele Kann ausgeschlossen werden, dass beim Fraccingverfahren unkontrolliert Risse im Erdreich entstehen und dadurch Erdgas, kontaminierte Spülflüssigkeit oder radioaktive Elemente ins Grundwasser gelangen? Kann man ein System sowohl zur Begrenzung als auch zur Überwachung der Rissbildung im Gestein einsetzen? AG Risiken im geologischen System Kann man den Zustand des Deckgesteins und die Grundwassersicherheit sicher beurteilen? Kennen die zuständigen Behörden Fälle, in denen Brunnen aufgrund des natürlichen hohen Methangehaltes im Münsterland stillgelegt werden mussten und/oder es zu Verpuffungen gekommen ist, die denen im Film Gasland vergleichbar sind?

6 6 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Ebenen des Risikos räumlich - Transportpfade für Fracfluide GW-führende Schichten Deckgebirge Lagerstätte (Salzwasserführung) Störungszone

7 7 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Ebenen des Risikos zeitlich (Transportpfade während des Frac- und während des Gasförderprozesses GW-führende Schichten Deckgebirge Lagerstätte (Salzwasserführung) Störungszone

8 8 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Ebenen des Risikos zeitlich (Transportpfade während des Frac- und während des Gasförderprozesses GW-führende Schichten Deckgebirge Lagerstätte (Salzwasserführung) Störungszone

9 9 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Quantifizierung der Risiken Zwei verschiedene Ansätze / Instrumentarien zur Quantifizierung - Empirisch, stochastisch Analyse der Eintrittswahrscheinlichkeit bestimmter Ereignisse, basierend auf bisherigen Erfahrungen mit gleichen / ähnlichen Maßnahmen - Deterministisch, prozessbasiert Prognose der Eintrittswahrscheinlichkeit bestimmter Ereignisse, basierend auf der Kenntnis des Verhaltens des Gesamtsystems unter verschiedenen Systemzuständen

10 10 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Empirischer Ansatz - Erfordert: belastbare, umfangreiche Datenbasis - Vorteil: Große Zahl von bisherigen Stimulationsmaßnahmen Aussagen belastbar Maßnahmen in realistischer Umgebung unter Berücksichtigung natürlicher Heterogenität - Nachteil: Beschränkt auf bisheriges Einsatz- / Beobachtungsspektrum (Bsp. Hochwasserwahrscheinlichkeit abgeleitet aus früheren Beobachtungen) Problem der Vergleichbarkeit (unterschiedliche Formationen, Tiefen, Bohrlochausbau, Designkriterien,...)

11 11 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Bisherige Erfahrungen mit Frac-Operationen in Niedersachsen während der letzten 60 Jahre Zahl der dokumentierten Einzelfracs in Nds.: Dokumentierte Zwischenfälle: ca. 250 Maßnahmen keine Vergleichbarkeit mit hier geplanten Maßnahmen: muss geprüft werden

12 12 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Deterministischer Ansatz - Erfordert: Identifikation und Quantifizierung der Prozesse Charakterisierung der Geometrie des Systems und der hydraulisch, mechanischen, thermischen und chemischen Prozesskenngrößen Erstellung eines mathematischen Modells Vorwärtssimulation von Szenarien unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Bestimmung der Systemgeometrie und der Prozessparameter (Heterogenität) - Vorteil: Hohe Prognosefähigkeit Simulation von bisher nicht praktizierten Maßnahmen - Nachteil: Unsicherheit ob Prozesse verstanden Unsicherheit in der geometrischen Analyse Unsicherheit in der Parameterbestimmung (natürliche Variabilität und Heterogenität)

13 13 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Deterministischer Ansatz - Vorteil: System vollständig bestimmt (u. Berücksichtigung der o.g. Unsicherheiten) Quantitative Information zu Fluidvolumenströmen und Stoffkonzentrationen, d.h. Massenflüssen, in Raum und Zeit Quantitative Information für Toxikologen zu Stoffkonzentration und Expositionszeit Quantitative Informationen zu Auswirkungen auf Ökosysteme und Langzeitfolgen Quantitative Grundlagen zur Quantifizierung von Kosten, z.b. für Sanierungen

14 14 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Systemmodellierung Quantifizierung der Frac-Ausbreitung Etablierte Standardverfahren der Kohlenwasserstoffindustrie und bei der Stimulation von geothermischen Reservoiren Frac-Genese Modellierung (Gudmundsson 2008)

15 Systemmodellierung Modellierung des Gesamtsystems (Strömung- und Stofftransport)

16 16 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Kontrolle, Monitoring, Prüfung der Frac-Entwicklung Mikroseismizität Quelle: Fracture Mapping Results for the Damme #3 Stimulation Überwachung im Rahmen der Betriebsplangenehmigung Temperaturmessung im Bohrloch Stoffkonzentrationen (Gas, gel. Stoffe) im Oberflächennahen Grundwasser

17 17 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Relevanz für Nordrhein-Westfalen

18

19

20 Tiefes Grundwasser

21 Grundwassermodell

22 22 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Vorgehensweise 1. Analyse des Systems 2. Komponenten des Systems: Geologischer Aufbau, Geometrie von Störungszonen, Bohrungsgeometrie, Frac-Geometrie, Orientierung, Ausdehnung Grundwasserströmung (Hyd. Gradient, Betrag, Relevanz v. Mehrphasenströmung) Chem. Zusammensetzung der Frac-Fluide (Abbaubarkeit, Sorption) 3. Charakterisierung der Systemkenngrößen (Durchlässigkeit, Transportparameter, etc.) einschl. Unsicherheit 4. Erstellung eines mathematischen Modells des Gesamtsystems 5. Definition und Berechnung von Szenarien (potentielle Konstellationen) 6. Quantifizierung des relativen Beitrags der einzelnen Komponenten zur Verstärkung / Abschwächung der Eintrittswahrscheinlichkeit mit mathematischen Modellen 7. Betrachtung evtl. zeitlicher Änderungen in der Eintrittswahrscheinlichkeit 8. Berechnung der Massenflüsse und Unsicherheiten in den Ergebnissen aufgrund der Unsicherheiten in den Kenngrößen (natürliche Heterogenität) 9. Übergabe der Ergebnisse an AG Risiken

23 23 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Fragen zur Beantwortung durch die AG Wie sicher ist... Kontrolle und Überwachung der Frac-Entstehung Beurteilung des Zustands des Deckgebirges

24 24 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Arbeitsprogramm der AG Geosystem 1. Erstellung eines quantitativen mathematischen Modells unter Berücksichtigung der Geometrien der Einzelkomponenten, relevanter Prozesse (Mehrphasenfluss, Kluftströmung, Sorption, Abbau) Geosystem Bohrung Frac 2. Parametrisierung des Modells (Durchlässigkeit, Transportparameter,..) 3. Definition verschiedener Szenarien 4. Vorwärtsmodellierung und Prognose von Massenflüssen in Raum und Zeit unter Berücksichtigung der Parameterunsicherheit 5. Übergabe der Ergebnisse an AG Risiken

25 25 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Planungen für Nordrhein-Westfalen Darstellung von verschiedenen geol. Profilen und Diskussion der Gegebenheiten / Barrieren, etc. (wird derzeit vorbereitet)

26 26 Fachkonferenz 27. Mai 2011 Ebenen des Risikos Bohren Fraccen - Fördern Trinkwasser (-aufbereitung) GW-führende Schichten Fördern Bohren Deckgebirge Lagerstätte (Salzwasserführung) Fraccen

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