Untersuchung und Modellierung des Spannungsfeldes an der GeneSys-Bohrung

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1 Untersuchung und Modellierung des Spannungsfeldes an der GeneSys-Bohrung Stefanie Krug 1, Jörn Löhken 2, Thomas Röckel 3 & Torsten Tischner 1 1 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover 2 ehem.: Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, Hannover 3 Piewak & Partner GmbH, Bayreuth

2 Gliederung Das GeneSys-Projekt Hannover Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests Modellierung des Spannungsfelds Zusammenfassung

3 Das GeneSys-Projekt Hannover Demonstrationsprojekt Hannover Ziele Nutzung von gering permeablen Sedimentgesteinen Erprobung von Einbohrlochkonzepten Übertragung der Wasserfractechnik auf Sedimentgesteine Wärmeversorgung des Geozentrums Hannover Vorgaben Thermische Leistung 2 MW Vorlauftemperatur Primärseite > 80 C Volumenstrom ca. 7 l/s

4 Das GeneSys-Projekt Hannover Zyklisches Konzept dichte Formation große Rissflächen produktiver Aquifer im Wealden Temperatur (ca. 160 C) Rückfördertemperatur? Druckverluste (Energiebilanz)? therm.-mech. Wechselbelastungen?

5 Das GeneSys-Projekt Hannover Fragestellungen zum Spannungsfeld 1. Ist die Bohrung in die richtige Richtung abgelenkt? Multiple Fracs: Aufsicht: p Auswertung von bildgebenden Bohrloch-Logs σ h σ H 2. Wie groß ist der Rissschließdruck? Auswertung von in-situ Tests 3. Sind die beobachteten Spannungen mit einem numerischen Modell zu erklären?

6 Das GeneSys-Projekt Hannover 1. Richtung der horizontalen Hauptspannungen Hannover Unterhalb Zechstein: Spannungsrichtung σ H (ca. N-S) bekannt Oberhalb Zechstein:??? Quelle: Geotektonischer Atlas NW-Deutschlands

7 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests 1. Richtung der horizontalen Hauptspannungen Normal faulting: σ v > σ H > σ h σ h Bohrlochwandausbrüche (Bruch durch Kompression) σ H induzierte Zugrisse Auftreten abhängig von: - Betrag von σ h und σ H - Gesteinsfestigkeit - Bohrloch- und Porendruck

8 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests UBI tool UBI (Ultrasonic borehole imager) FMI (Formation micro imager)

9 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests 2827 m UBI-Log (Oberhalb Buntsandstein) Amplitude Transit time N S N N S N σ h 2831 m Unterhalb 3100 m: Ablenkung der Bohrung 220 Azimuth (SW)

10 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests FMI-Log, Volpriehausen (Mittlerer Buntsandstein) 3703 m N E S W N Induzierte (Zug-)Risse im Zielhorizont Perforationsintervall NW - SE σ H N 3709 m 0 360

11 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests Spannungsrichtungen Teufe [m] Richtung SH [ ] Muschelkalk-Salinar Röt-Salinar UBI (Ultrasonic borehole imager) bis ca m FMI (Formation micro imager) unterhalb 3000 m Legende UBI-Run 1, Breakouts UBI-Run 2, Breakouts UBI-Run 3, Breakouts UBI-Run 4, Breakouts FMI-Run, induzierte Risse Bohrlochazimuth, >3 Neigung 4000 Röckel, 2011 ca. 78

12 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests 2. Beträge der Hauptspannungen Mini-Frac Versuche Kopfdruck (bar) Kopfdruck (bar) Break down Shut In Shut in bleed off 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 Uhrzeit am :00 15:00 Uhrzeit am hoher Fracdruck ( 410 bar bei Frischwasser) Rissschließdruck (ca. 750 bar): nahezu isotrope Spannungsbedingungen: S h = 0,87 S v (bei ρ m = 2,4 kg/l) (S V > S H > S h ) h v 1 v V pw pw + v = ca. 860 bar, =1 p w = ca. 620 bar, = 0,2 h = 680 bar = 70 bar

13 Auswertungen von Bohrlochmessungen und in-situ Tests Schubspannung [bar] Mohrscher Spannungskreis Bruchkriterium p w Effektivspannungen Hannover Effektivspannungen Soultz Hauptnormalspannungen 1 und 3 [bar] Hannover (3660m): p w = 620 bar h = 750 bar v = 860 bar Soultz (4700m): p w = 460 bar h = 620 bar v =1175bar

14 Modellierung des Spannungsfeldes 3. Numerisches Spannungsfeldmodell Groß Buchholz Modell mit Einfluss benachbarter Salzstöcke Geologie aus Geotektonischem Atlas Datenbearbeitung Interpolieren von Datenlücken Modellierung der Salzstöcke Anpassung an Bohrungsdaten

15 Modellierung des Spannungsfeldes Eigenschaften des 3D Spannungsfeldmodells v keine horizont. Verschiebungen keine horizont. Verschiebungen keine horizontalen und vertikalen Verschiebungen x y - linear elastisches Materialverhalten - Modell inkl. Porenwasserdruck - zusätzlich: Untersuchung des Kriechverhaltens von Salz (Norton-Kriechen): sehr komplex inhomogene Salzstöcke unsichere Parameter p 0 z

16 Modellierung des Spannungsfeldes Spannungsbeträge Modellergebnisse Richtungen der h

17 Zusammenfassung 1. Bohrlochmessungen in GeneSys-Bohrung/Hannover: Spannungsfeldrichtung variiert mit der Tiefe Ablenkung der Bohrung vorteilhaft für Rissorientierung beim Fracen 2. Minifrac-Versuche an der Bohrung im Zielhorizont hoher Betrag des Rissschließdrucks horizontale Spannungen nahezu isotrop 3. 3D-Modellierung des Spannungsfeldes geologisches Modell und gemessene mechanische Parameter: Hinweise auf wechselnde Ausrichtung der Spannungen Kriechverhalten der Salzstöcke: sehr komplex, zusätzliche Unsicherheiten Salzstöcke: Einfluss auf Spannungsrichtungen und -beträge (keine externen Spannungen als Randbedingungen) Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!