Erdgas-Stimulation- Seismische Ereignisse

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1 Erdgas-Stimulation- Seismische Ereignisse Siebte Niedersächsische Energietage 2014, Goslar Institut für Angewandte Geowissenschaften Fachgebiet Angewandte Geothermie Prof. Dr. Ingo Sass Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, M. Sc. Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth

2 Lagerstättentypen Tight Gas: aus Muttergestein in Sand- oder Kalksteinformationen mit sehr geringen Permeabilitäten eingewandert, in D i.d.r. unterhalb von m. Schiefergas: thermogenes Gas durch Abbau/Umwandlung von organischem Material, im Ausgangsgestein adsorbiert, in D schon ab Tiefen von ca. 500 m Kohleflözgas: entsteht bei Inkohlung, Gas ist durch den Druck des Lagerstättenwassers an die Oberfläche der Kohle gebunden, Vorkommen liegen i.d.r. in Deutschland in unterschiedlichen Tiefen. Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 1

3 Unkonventionelle Erdgasvorkommen in Deutschland Tight Gas Niedersachsen Flözgas NRW Schiefergas Niedersachsen, NRW, Baden-Württemberg etc. BGR 2012 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 2

4 Ablauf der Erschließung von unkonventionellen Gaslagerstätten Erkundung (Exploration) Standortwahl und Einrichten des Bohrplatzes Bohren und Komplettieren Stimulation (Fracking) Gewinnung Bohrplatz Rückbau/Renaturierung Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 3

5 Fragen der technischen Sicherheit Bohrlochintegrität Kurzfristig: Frack-Druck Langfristig: Aggressive Lösungen, Subsidenz in Folge der Förderung (Abnahme des Reservoirdruck), Stimulation (Einfluss auf Bohrung) Wie lässt sich die langfristige Bohrlochintegrität nachweisen/kontrollieren? Mit welchen Parametern lässt sich der Zustand einer Bohrung quantifizieren? Logs Druck/Produktivität (Förderrate) Zeitl. Veränderungen nach Rohwer et al Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 4

6 Faktoren für Bemessung der Komplementierung Dichte der Bohrspülung Formationsdruck Absetztiefen der Rohrtouren Verrohrungsdurchmesser Ablenkung des Bohrpfades Zementierung der Verrohrung Temperaturprofile Zusammensetzung der Frack-Fluide, Art des Stützmittels und dessen maximale Konzentration maximal zu erwartender Frack-Druck Zusammensetzung und Menge des geförderten Gases und Lagerstättenwassers Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 5

7 Ablauf einer Frack-Maßnahme 1. Perforation: z.b. Hohlladungs- /Erosionsperforator 2. Säure-Phase: Säuberung des Bohrlochs von Zementrückständen, Lösen von Karbonaten, Erweiterung und Aufbrechen bereits bestehender Klüfte im Nahbereich der Bohrung 3. Füll-Phase (pad stage): Frack-Fluid (Wasser + Additive) wird ohne Stützmittel unter stufenweise erhöhtem Druck und Verpressraten eingepresst. Die Rissbildung wird dadurch eingeleitet. 4. Stütz-Phase (prop stage): stufenweise Erhöhung der Konzentration des Stützmittel in der Suspension; Ziel ist ein gleichmäßiges Füllen des Risses mit dem Stützmittel. 5. Spül-Phase (flush stage): Durch Wasserzugabe wird verbliebenes Stützmittel aus der Bohrung in Risse gespült. nach Economides & Nolte 2000 Sass & Homuth 2010 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 6

8 Multifrack WEG 2010 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 7

9 Numerische Simulation der Rissgeometrie Modelle berechnen die Geometrie, Volumenbilanz und Festkörpermechanik z. B. PKN- (Perkins & Kern 1961, Nordgren 1972) und KGD-Modell (Geertsma & de Klerk 1969) Diese dienen als Grundlage für weitergehende numerische Modellierungen (Valko & Economides 1995, Economides & Nolte 2000) Simulation der Frackmaßnahmen sollte Bestandteil eines nachvollziehbaren und vorher dokumentierten Planungsprozesses sein Prognose der Rissausbreitung Bellarby 2009 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 8

10 Systemanalyse und Geosysteme Systemanalyse als zwingende Voraussetzung einer standortspezifischen Risikoanalyse Inhalte der Systemanalyse Räumliche Verteilung hydrogeologischer und petrophysikalischer Kennwerte (Permeabilitäten, Druckpotenziale etc.) Hydrochemische Verhältnisse Volumenströme (zwischen Grundwasserstockwerken, Ex-/Infiltrationszonen, etc.) Wirkungspfade und Hauptmerkmale der Systemdynamik (Ist-Zustand und Eingriffszustand) Lage der potenziell gasführenden Formationen Geosysteme Großräumige Einheiten, die ein geologisch-hydrogeologisches System bilden Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 9

11 Schematische Darstellung der Wirkungspfade Summenwirkungen und großräumige Auswirkungen Meiners et al Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 10

12 Technische und geologische Wirkungspfade Technische Wirkungspfade / Bohrungen Eintritts- und Versagenswahrscheinlichkeiten Casing / Zementation ( Hinweise aus KW-Exploration) Bei Stimulation (chemisch, thermisch, hydraulisch/mechanisch) Langzeitintegrität Bohrloch (thermischer, chemischer Stress) Rissausbreitung Geologische Wirkungspfade Störungen, Trennflächennetzwerke Aufstieg / Verbreitung über Grundwasser abhängig von den betrachteten Geosystemen (Resourcentyp) Wirksamkeit abhängig von Durchlässigkeit und hydraulischem Potenzial (= Fließrichtung) Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 11

13 Verknüpfung technischer + geologischer Wirkungspfade Geologische Wirkungspfade werden erst durch Versagen der technischen Systeme aktiviert Direkte Freisetzung Stoffe an der Oberfläche Versagen der Zementation Versagen des Casing Frackfluide erreichen einen ungewollt einen Aufstiegsweg Geologische Wirkungspfade werden systembedingt aktiviert Einbringen / Ausbreitung Frackfluide im Untergrund Summenwirkung durch Vielzahl von Fracks Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 12

14 Technische Herausforderungen Lösungsansätze Beachtung von Stand der Technik und guter Managementpraxis (wie konventionelle KW-Lagerstättenerschließung) Erkennen von (geologischen) Risiken (Vorerkundung, MWD) Qualitätskontrolle von Casing und Zement (Druckdichtigkeit, Logging) Überwachung in der Betriebsphase Qualitätssicherung durch begleitendes Monitoring (unabhängig/durch Dritte) Forschungsansätze Langzeiteigenschaften von Tiefbohrzementen Mechanisch: Widerstand gegen Frack-Drucke, Induzierte/getriggerte Seismizität Chemisch: Chemisches Milieu in der Formation, Wechselwirkung mit Frack-Fluid Entstehen evtl. korrosiver Reaktionsprodukte aus Wechselwirkung mit Frack-Fluid Wechselwirkung mit dem Gebirge (z.b. Kolmation) Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 13

15 Seismizität - Maße für die Erdbebenstärke Quelle: Schweizerischer Erdbebendienst Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 14 15

16 Intensitätsskala Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 15 16

17 Historische Erdbeben Grundlage für Gefährdungsabschätzungen Erdbebengebiete: Oberrheingraben Niederrhein Vogtland Schwäbische Alb Alpenrand (Intensitäten, nach Leydecker 2011) Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 16 17

18 Induzierte Seismizität Der Bau von Talsperren Das Füllen und Entleeren von Talsperren und Pumpspeicherwerken Tiefbau Tunnelbau Bergbau Große Steinbrüche Erdöl-/Erdgasgewinnung Unterirdische Speicher (Gas, Druckluft) Verpressen von Fluiden (CCS) Förderung von Thermalwasser oder Mineralwasser Fracarbeiten in Tiefbohrungen Geothermie Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 17

19 Lokation unterschiedlich induzierter Ereignisse Seismizität in und um Deutschland: Ereignisse mit Magnitude > 2 rot: tektonisches Beben, gelb: vermutlich induziertes Beben (BGR 2012) Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 18

20 Anhaltswerte für die Schwinggeschwindigkeit zur Beurteilung der Wirkung kurzzeitiger Erschütterungen auf Bauwerke Zeile Gebäudeart Anhaltswerte für die Schwinggeschwindigkeit v in mm/s Fundament Frequenzen Oberste Deckenebene, horizontal 1 Gewerblich genutzte Bauten, Industriebauten und ähnlich strukturierte Bauten 2 Wohngebäude und in ihrer Konstruktion und/oder ihrer Nutzung gleichartige Bauten 3 Bauten, die wegen ihrer besonderen Erschütterungsempfindlichkeit nicht denen nach Zeile 1 und 2 entsprechen und besonders erhaltenswert (z. B. unter Denkmalschutz stehend) sind 1 bis 10 Hz 10 bis 50 Hz 50 - alle Frequenzen 100 Hz *) bis bis bis bis bis 8 8 bis 10 8 *) Bei Frequenzen über 100 Hz dürfen mindestens die Anhaltswerte für 100 Hz angesetzt werden Spürbarkeitsschwelle: 0,3 mm/s Referenzwert für sensible Gebäude: 3 mm/s Referenzwert für Wohngebäude: 5 mm/s nach DIN 4150, Teil 3 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 19

21 Beben vom in Südhessen Mag. 4,2 Deutschlandweite Berichterstattung Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth

22 Schadensfälle Über 100 Schadensfälle gemeldet! Maximale Schwinggeschwindigkeiten von über 25 mm/s Homuth, B Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 21 22

23 Diskriminierung zwischen natürlichen und induzieren Ereignissen 1. Waren die seismischen Ereignisse (Erdbeben) die ersten dieser Art in der Region? 2. Gibt es eine klare Korrelation zwischen der Flüssigkeitsinjektion und der Seismizität? 3. Liegen die Epizentren in der Nähe von Bohrlöchern? 4. Treten zumindest einige der Ereignisse in der Injektionstiefe auf? 5. Falls nicht, gibt es bekannte geologische Strukturen, an denen die Flüssigkeit migriert sein könnte? 6. Sind die Flüssigkeitsdrücke im tiefen Bohrloch ausreichend um die Bruchvorgänge hervorzurufen? 7. Sind die Flüssigkeitsdrücke im Bereich der Hypozentren ausreichend, um die Bruchvorgänge hervorzurufen? Grundsätzlich ist die Seismizität abhängig vom Spannungsfeld und Gesteinstyp: Wobei Schiefergesteine aufgrund multipler Trennflächen keine größeren Spannungen aufnehmen im Gegensatz zu Sandsteinen oder gar Kristallingesteinen. Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 22

24 Gefährdungsanalysen Deterministische Verfahren Strukturelle Kenntnisse im Umfeld des möglichen Herdes (erarbeitet meist aus 3D-seismischen Daten) Kenntnis der in diesem Bereich vorhanden Klüfte (diese können oft von subseismischer Größe sein, und sind deshalb im seismischen Bild nicht zuerkennen.) Eigenschaften der Klüfte (insbesondere deren Reibungskoeffizienten), die meist nur geschätzt werden können Kenntnis des lokalen Spannungsfeldes, das selten ausreichend bekannt ist Zunahme der Spannung über ein Bruchkriterium hinaus Ein Herabsetzen der Reibungskraft auf der Störung durch Verminderung der Normalkraft, indem die Kluft durch Fluidinjektion mit Druck beaufschlagt wird. Probabilistische Verfahren statistische Aufarbeitung der Vergangenheit. daraus abgeleiteten Prognose. Empirische Verfahren Überwachung (Echtzeit-Monitoring) Reaktionsschema Kommunikation mit den Aufsichtbehörden Öffentliche Darstellung der Messergebnisse (Internet) Neutraler Ombudsmann (zur Schlichtung in Streitfragen) Kontrollgremien mit Bürgerbeteiligung nach Rüter 2013 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 23

25 Kontrollierter Betrieb Gutachterliche Begleitung Seismologische Überwachung Reaktionsschema Berichterstattung und Öffentlichkeitsarbeit Ombudsmann Vorteile einer seismischen Überwachung (Monitoring) Verständnis der Interaktion zwischen eingepresstem Fluid und dem umgebenden Gestein (Auslösemechanismen fluidinduzierter Erdbeben) Charakterisierung des Reservoirs (Warpinski et al. 1998, 2001) Abbildung der aktivierten Bruchsysteme (Rowe et al. 2002) Analyse der zeitlich-räumlichen Entwicklung der Seismizität erlaubt die Abschätzung von hydraulischen Kenngrößen (Shapiro et al. 2002, Dinske et al. 2010). Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 24

26 Echtzeit - Monitoring Ereignisdetektion und automatische Lokalisierung in Echtzeit mit RTQUAKE Homuth, B Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 25 26

27 Beispiel für ein Reaktionsschema Einflussgrößen auf die Beherrschbarkeit (Stellschrauben) Einpressraten bzw. der Injektionsdruck Betriebsregeln Stufenplan (nach Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland Pfalz) Stufe Schwingeschwindigkeit Maßnahme 1 0,2 mm/s < V < 0,5 mm/s Benachrichtigung; Dokumentation aller Erschütterungen 2 0,5 mm/s < V < 1,0 mm/s oder 5 Ereignisse in 12 h nach 1. Benachrichtigung; vorübergehende Verringerung der Fließrate 3 1,0 mm/s < V < 3,0 mm/s Benachrichtigung; Auswertung der Ereignisse; vorübergehende stufenweise Reduktion der Fließrate 4 3,0 mm/s < V < 5,0 mm/s Benachrichtigung; Auswertung der Ereignisse; weitere Reduktion der Fließrate 5 5,0 mm/s < V < 10,0 mm/s Benachrichtigung; Betrieb mit minimierter Fließrate über einen längeren Zeitraum in Absprache mit der Bergbehörde 6 v > 10 mm/s, d.h. 1 Ereignis > 20 mm/s oder 5 Ereignisse > 10 mm/s Herunterfahren des Kraftwerks Rüter 2013 Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 26

28 Schlussfolgerungen Vielfältige Risikobewertungen in allen Projektphasen interdisziplinäres KnowHow notwendig Stimulationsmaßnahmen müssen frühzeitig in Planungen berücksichtigt werden Weiterentwicklung der Methoden zur Qualitätskontrolle der Komplettierung einer Bohrung (Zementation / Verrohrung) ist empfehlenswert Seismisches Monitoring und standortangepasstes Reaktionsschema Prinzipielle seismische Risikostaffelung in Abhängigkeit vom Reservoirgestein: Schiefer Sandstein Kristallin Mit heutiger Bohrtechnik und hinreichendem Systemverständnis sind die Risiken prognostizier- und beherrschbar Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing. & M.Sc. Sebastian Homuth 27

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Darmstädter Vorträge zur induzierten Seismizität Siebte Niedersächsische Energietage 2014 Goslar Dipl.-Ing & M.Sc. Sebastian Homuth