Gesteinskennwerte und thermophysikalische Reservoirkennwerte als Instrument zur Potenzialeinschätzung

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1 Gesteinskennwerte und thermophysikalische Reservoirkennwerte als Instrument zur Potenzialeinschätzung Forschungs- und Entwicklungsprojekt 3D-Modellierung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen Bär, K. & Sass, I. 7. Tiefengeothermie-Forum Hessens tiefengeothermisches Potenzial 8. Oktober 2011, Darmstadtium, Wissenschafts- und Kongresszentrum Darmstadt Auftraggeber: Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Kooperationspartner: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

2 Forschungsprojekt 3D-Modellierung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen Geologisches 3D-Strukturmodell Modell stratigraphischer Horizonte und Störungssysteme Stratigraphiebezogene 3D-Volumenkörper der tiefengeothermisch nutzbaren Einheiten Untergrundtemperaturmodell bis 6 km Tiefe Geothermisches 3D-Modell Datenbank geothermischer Eigenschaften Modellattributierung Rhenoherzynikum und Nördliche Phyllitzone Mitteldeutsche Kristallinschwelle Auftraggeber: Kooperationspartner: Tiefengeothermische Potenzialausweisung Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 2

3 Das Thermofazieskonzept als Explorationsmethode (Sass & Götz, 2012) Die Reservoireigenschaften werden überwiegend durch den Faziestyp beeinflusst. Die Fazies bestimmt die Art der tiefengeothermischen Nutzung. Das Thermofazieskonzept kann zur Prognose der Eigenschaften, der Stimulierbarkeit und der effizienten Nutzung des Reservoirs angewendet werden. Die Prognosen sind als konservativ anzusehen, da die sekundäre Porosität (Verkarstung, Klüftung, Störungen) zunächst nicht berücksichtigt wird. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 3

4 Aufschlussanalogstudien a fluviatile Sandsteine fluviatil-alluviale Konglomerate Beprobung aller Lithofaziestypen Foto: (Bär LGB-RLP et al. 2011a) (2005) Foto: Gottschalk (2010) Sedimentologische Aufschlussanalyse Untersuchung der Gesteinseigenschaften: Untersuchung des Trennflächengefüges: Wärme- und Temperaturleitfähigkeit Kluftabstand, Öffnungsweite Porosität und Permeabilität Kluftlänge, Durchtrennungsgrad Mineralogie und Petrographie Kluftfüllungen 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 4

5 Daten Untergrundtemperaturdaten zur Gebirgsdurchlässigkeit Gesteinseigenschaften Eingangsdatensätze Umfangreiche Daten stützen das Modell. Labordatensätze: Wärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit Gesteinsdichte Porosität Gesteinspermeabilität Archivdatensätze: Poro-Perm-Daten WEG (ca. 3700) Hydraulische Testdaten (ca. 900 aus den Archiven des HLUG und LGB-RLP) Temperatur (FIS-Geophysik des LIAG und Archive des HLUG) Rezentes Spannungsfeld (WSM 2010) Abgeleitete Datensätze: Spezifische Wärmekapazität Gebirgspermeabilität Transmissibilität Geologie verändert nach GÜK 300 (HLUG, 2007) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 5

6 Anzahl der Messungen und Mittelwerte für die Modelleinheiten Modelleinheiten Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] n Spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] n Gesteinspermeabilität [log m²] n Tertiäre Basalte 1,81 ± 0, ± ,0 ± 1,0 364 Muschelkalk 2,01 ± 0, ± ,1 ± 0,8 309 Buntsandstein 2,57 ± 0, ± ,6 ± 1, Zechstein 2,26 ± 1, ± ,1 ± 1,2 958 Rotliegend 2,21 ± 0, ± ,1 ± 1,4 882 Grundgebirge RH & NPZ 2,71 ± 1, ± ,8 ± 1, MDKS 2,40 ± 0, ± ,4 ± 0,9 926 GESAMT Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 6

7 Statistik sichert die geothermische Prognose Beispiel Gebirgspermeabilität Rotliegend Die Kenntnis der statistischen Verteilung der geothermischen Kennwerte ermöglicht die Berechnung von Eintrittswahrscheinlichkeiten. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 7

8 Statistik sichert geothermische Prognose Beispiel Wärmeleitfähigkeit Andesit Arkose Granodiorit Quarzit 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 8

9 Buntsandstein im nördlichen Oberrheingraben Isolinien nach: Boigk & Schöneich (1970) (Bär, 2012) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 9

10 Geothermische Gesteinseigenschaften des Buntsandstein (Bär, 2012) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 10

11 Rotliegend im nördlichen Oberrheingraben 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 11

12 Thermophysikalische und hydraulische Gesteinseigenschaften 4.5 Andesit 4.0 Latit Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Rhyolith Arkose Arkose verwittert Konglomerat Konglomerat verwittert quarzitisches Konglomerat Sandstein 1.0 quarzitischer Sandstein Porosität [%] Die Wärmeleitfähigkeit sinkt mit steigender Porosität deutlich. Fazielle Unterschiede der Porositäts- Wärmeleitfähigkeitsbeziehung. Bei geringen Porositäten sind höhere Wärmeleitfähigkeiten zu erwarten. Pelit Die Permeabilität steigt mit steigender Porosität. Die Abhängigkeit der Permeabilität von der Porosität stimmt gut mit dem Modell der fraktalen Porenraumgeometrie von Pape et al. (1999) überein. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 12

13 Gebirgs- und Gesteinspermeabilität des Rotliegend Die Gebirgspermeabilität wurde durch statistische Auswertung der Daten hydraulischer Tests von mehr als 300 Bohrungen ermittelt. An Gesteinsproben aus Aufschlüssen und Bohrungen wurde die Gesteinspermeabilität gemessen (> 680 Messwerte). Aus der Datenbank der Kohlenwasserstoffindustrie (KW-DB) wurden mehr als 600 Permeabilitätsmessungen berücksichtigt. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 13

14 Eingangsdaten Gesteinspermeabilität Beckengrenze nach Müller (1996) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. Geologie: GK 1:

15 Hydraulische Testdaten Gebirgs- und Gesteinspermeabilität Testdaten vorhanden des Rotliegend Bohrungen ohne Testdaten KW-Datenbank Rotliegend Beckengrenze Die Gebirgspermeabilität wurde durch statistische Auswertung der Daten von mehr als Eingangsdaten 300 Pumpversuchen ermittelt. Gebirgspermeabilität An Gesteinsproben aus Aufschlüssen und Bohrungen wurde die Gesteinspermeabilität gemessen ( > 680 Messwerte). Aus der Datenbank der Kohlenwasserstoffindustrie (KW-DB) wurden mehr als 550 Permeabilitätsmessungen von Gesteinen des Rotliegend berücksichtigt. Beckengrenze nach Müller (1996) Geologie: 8. Oktober GK : Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 15

16 Tiefenabhängigkeit der Gebirgs- und Gesteinspermeabilität Gesteins- und Gebirgspermeabilität sind abhängig von der Tiefe. R²=0,667 Literaturdaten: log K G 1,38 Stober & Bucher (2007) = ln( z) 6.86 log K G = 3,19 ln( z) Manning & Ingebritsen (1999) 8,08 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 16

17 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität des Rotliegend Die Ableitung der Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität ist möglich. Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Mittelwerte) log K m = 0,8 ln( z) 10,4 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Minimalwerte) log K mmin = 0,7 ln( z) 12,1 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Maximalwerte) log K mmax = 0,85 ln( z) 9,5 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 17

18 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität des Rotliegend Die Ableitung der Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität ist möglich. Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Mittelwerte) log K m = 0,8 ln( z) 10,4 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Minimalwerte) log K mmin = 0,7 ln( z) 12,1 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Maximalwerte) log K mmax = 0,85 ln( z) 9,5 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 18

19 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität des Rotliegend Die Ableitung der Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität ist möglich. Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität (Mittelwerte) log K G = 0,92 ln( z) 8,15 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität (Minimalwerte) log K GMin = 0,75 ln( z) 10 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität (Maximalwerte) log K GMax = 1,06 ln( z) 6,7 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 19

20 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität des Rotliegend Die Ableitung der Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität ist möglich. Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Mittelwerte) log K G = 0,92 ln( z) 8,15 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Minimalwerte) log K GMin = 0,75 ln( z) 10 Tiefenabhängigkeit der Gesteinspermeabilität (Maximalwerte) log K GMax = 1,06 ln( z) 6,7 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 20

21 Gesteins- vs. Gebirgspermeabilitäten Buntsandstein und Rotliegend 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 21

22 Umrechnung der Laborkennwerte auf Reservoirbedingungen Die reproduzierbare Messung der Wärmeleitfähigkeit kann nur an ofentrockenen Proben erfolgen. Wassergesättigte in situ Bedingungen wurden rechnerisch berücksichtigt. λ geo = λ φ fluid λ 1 φ gesteinsmatrix Aus der ofentrockenen Wärmeleitfähigkeit λ geo von 2,6 [W/(m K)] ergibt sich bei einer Porosität ϕ von 7,0 [%] eine wassergesättigte Wärmeleitfähigkeit λ 20 von 3,16 [W/(m K)] (bei 20 C). Die Umrechnung auf Reservoirtemperatur T [K] erfolgt nach der Gleichung für die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von Sedimentgesteinen nach Somerton (1992): λ(t) = λ ( ) ( ) ( 3 T 293 λ 1,38 λ 1,8 10 T) [ ] 0,25 λ 0,64 + 1, λ Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 22

23 Attributierung des 3D Modells: Wärmeleitfähigkeit des Rotliegend Temperatur [ C] Vosteen & Schellschmidt, sedimentär (2003) 30 Vosteen & Schellschmidt, kristallin (2003) 50 Somerton (1992) 70 Zoth & Haenel (1988) 90 Sass et al. (1971) Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Rotliegend Minimalwert Rotliegend Mittelwert Rotliegend Maximalwert Gleichung für die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von Sedimentgesteinen nach Somerton (1992): λ(t) = λ ( ) ( ) ( 3 T 293 λ 1,38 λ 1,8 10 T) [ ] 0,25 λ 0,64 + 1, λ Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 23

24 Attributierung des 3D Modells: S-GRID Rotliegend im Oberrheingraben Das Modell wird temperaturund tiefenabhängig mit den statistisch ermittelten Kennwerten attributiert. Temperatur Wärmeleitfähigkeit Gesteinspermeabilität Gebirgspermeabilität mit Störungsberücksichtigung Transmissibilität Temperaturleitfähigkeit Wärmekapazität Porosität Dichte Wiesbaden Frankfurt (5-fach überhöht) Darmstadt 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 24

25 Klassifizierung des tiefengeothermischen Potenzials Aus dem attributierten Modell wird mit Hilfe einer eigens entwickelten Methode (Arndt et al. 2011, Bär et al. 2011, Arndt 2012), die auf dem Analytic Hierarchy Prozess (AHP) nach Saaty (1980, 1990, 2005) basiert, das tiefengeothermische Potenzial berechnet. Attributiertes Modell Eingangsdaten Frankfurt Automatisierte Multikriterienanalyse Hydrothermal λ T K M K G T G Gewichtung Wärmeleitfähigkeit 1 1/9 1/3 1/5 1/7 0,035 Ergebnis Frankfurt Klassifikation des Potenzials Wiesbaden Darmstadt Temperatur ,440 Gesteinspermeabilität 3 1/5 1 1/2 1/4 0,085 Wiesbaden Darmstadt Gebirgspermeabilität 5 1/ /2 0,157 Transmissibilität 7 1/ ,282 [m³] sehr gering gering mittel hoch sehr hoch 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 25

26 Bedeutung der Kennwerte für die tiefengeothermische Potenzialbestimmung Thermophysikalische Eigenschaften Hydraulische Eigenschaften Reservoir- Eigenschaften Hydrothermal Petrothermal Tiefe EWS Wärmeleitfähigkeit Gesteinsdichte Wärmekapazität Temperatur Permeabilität / Durchlässigkeit Transmissibilität /-missivität Porosität Produktivitätsindex Daten hydraulischer Tests Tektonik/ Spannungsfeld Petrographie / Felsmechanik Geometrie des Reservoirs / Wärmetauscherfläche Bewertungsgrundlage (verändert nach Schulz (2009) und Stober et al. (2009)); Benutzt zur 8. Oktober = 7. sehr Tiefengeothermie-Forum wichtig; 2 = relevant; Bär, 3 = K. geringe & Sass, I. Bedeutung; - = zunächst keine Bedeutung Potenzialbestimmung 26

27 Grenzwerte der Potenzialkennwerte Potenzial sehr gering gering mittel hoch sehr hoch Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] < 1,25 > 1,25 > 2,0 > 3,0 > 5,0 Temp.-leitfähigkeit [10-6 m 2 /s] < 0,6 > 0,6 > 1,0 > 1,5 > 2,0 Reservoirtemperatur [ C] < 60 > 60 > 100 > 120 > 150 Permeabilität [m 2 ] < > > > > Durchlässigkeit [m/s] < > > > > Transmissibilität [m 3 ] < > > > > Transmissivität [m 2 /s] < > > > > Potenzialgrad bei Multikriterienanalyse 0,0-0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 27

28 Potenzial des Rotliegend im nördlichen Oberrheingraben Mittleres hydrothermales Potenzial des Rotliegend Frankfurt (5-fach überhöht) Wiesbaden Darmstadt Sehr gering mittel sehr hoch sehr gering gering mittel hoch sehr hoch 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 28

29 Kartendarstellung Hydrothermales Potenzial des Rotliegend 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 29

30 Zusammenfassung Geothermische Daten ermöglichen die statistisch abgesicherte Reservoirprognose Kennwerte wurden für die Modellierung auf Reservoirbedingungen umgerechnet Methode zur Potenzialbestimmung ergibt reproduzierbare Ergebnisse Tiefengeothermische Potenziale von ganz Hessen klassifiziert Tiefengeothermisch nutzbare Energie quantifiziert Modellbasierte Berechnung des Fündigkeitsrisikos möglich Grundlage für numerische Reservoirmodelle 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Auftraggeber: Kooperationspartner: Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Abschlussbericht und aus dem Projekt hervorgegangene Dissertationen sind online verfügbar. Dissertation: Abschlussbericht: 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 31

32 Literatur I Arndt, D. (2012): Geologische Strukturmodellierung von Hessen zur Bestimmung von Geo-Potenzialen. - Dissertation, TU Darmstadt. 199 S. Arndt, D., Bär, K., Fritsche, J.-G., Kracht, M., Sass, I. & Hoppe, A. (2011): 3D structural model of the Federal State of Hesse (Germany) for geo-potential evaluation. - Z. dt. Ges. Geowiss., 162(4): , Stuttgart (Schweizerbart). Bär, K., Arndt, D., Fritsche, J.-G., Götz, A.E., Hoppe, A., Kracht, M. & Sass, I. (2011): 3D-Modellierung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen Eingangsdaten und Potenzialausweisung. Z. dt. Ges. Geowiss., 162 (4): , 7 Abb., 4 Tab., Stuttgart. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) (2007): Geologische Übersichtskarte der BRD 1 : (GÜK200) - BGR, Hannover. Evans, J.P., Forster, C.B., Goddard, J.V. (1997): Permeability of fault-related rocks and implications for hydraulic structure of fault zones. - J. Struct. Geol., 19: Faulkner, D.R., Jackson, C.A.L., Lunn, R.J., Schlische, R.W., Shipton, Z.K., Wibberley, C.A.J. & Withjack, M.O. (2010): A review of recent developments concerning the structure, mechanics and fluid flow properties of fault zones. J. Struct. Geol., 32: Gottschalk, K. (2010): Oberflächenanaloge zu geothermischen Reservoiren im mittleren Oberrheingraben Kristallin, Rotliegend und Buntsandstein im südlichen Pfälzerwald. unveröff. Diplomarbeit Geologisches Institut, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg i. Br. Heidbach, O., Tingay, M., Barth, A., Reinecker, J., Kurfeß, D. & Müller, B. (2010): Global crustal stress pattern based on the World Stress Map database release Tectonophys., 482: 1-4, HLUG (2007): Geologische Übersichtskarte Hessen 1: , 5. überarbeitete digitale Ausgabe, HLUG, Wiesbaden. Jung, R., Röhling, S., Ochmann, N., Rogge, S., Schellschmidt, R., Schulz, R. & Thielemann, T. (2002): Abschätzung des technischen Potenzials der geothermischen Stromerzeugung und der geothermischen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland. GGA (Hannover); BGR (Hannover); Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart. Landesamt für Geologie und Bergbau, Rheinland-Pfalz (LGB-RLP) (2005): Geologie von Rheinland-Pfalz. 400 S. Stuttgart (Schweizerbart). LIAG (2009): Geophysics Information System. Lockner, D.A., Naka, H., Tanaka, H., Ito, H., Ikeda, R., (2000): Permeability and strength of core samples from the Nojima fault of the 1995 Kobe earthquake. In: GSJ Internal Report No. EQ/00/1, Proceedings of the Internal Workshop on Nojima Fault Core and Borehole Date Analysis, pp Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 32

33 Literatur II Manning, C.E. & Ingebritsen, S.E. (1999): Permeability of the continental crust: implications of geothermal data and metamorphic systems. Rev. Geophys. 37: Muffler, P. & Cataldi, R. (1978): Methods for Regional assessment of Geothermal Resources. Geothermics, Vol. 7: Müller, H. (1996): Das Permokarbon im nördlichen Oberrheingraben Paläogeographische und strukturelle Entwicklung des permokarbonen Saar-Nahe-Beckens im nördlichen Oberrheingraben. Geol. Abh. Hessen, 99: 85 S., Wiesbaden. Rawling, G.C., Goodwin, L.B. & Wilson, J.L. (2001): Internal architecture, permeability structure, and hydrologic significance of contrasting fault-zone types. - Geology, 29(1): Saaty, T. L. (1980): The analytic hierarchy process : planning, priority setting, resource allocation - XIII, 287 S., McGraw-Hill, New York. Saaty, T. L. (1990): How to Make a Decision - the Analytic Hierarchy Process. Eur. J. Oper. Res., 48(1): Saaty, T. L. (2005): The Analytic Hierarchy and Analytic Network Process for the measurement of intangible criteria and for Decision- Making, in Multiple Criteria Decision Analysis - State of the art surveys. - In: J. Figueira, S. Greco and M. Ehrgott: , Springer, New York. Sass, J.H.,Lachenbruch, A.H., Munroe, R. (1971): Thermal conductivity of rocks from measurements on fragments and its application to heat-flow determinations. - J Geophys Res, 76: Schulz, R. & GEOTIS-TEAM (2009): Aufbau eines geothermischen Informationssystems für Deutschland. - Endbericht. - LIAG Hannover. 114S. ( [Stand April 2012] Somerton, W. H. (1992): Thermal properties and temperature-related behavior of rock-fluid systems. - Developments in Petroleum Science 37. VIII: 257 S. Stober, I. & Bucher, K. (2007): Hydraulic properties of the crystalline basement. Hydrogeology Journal, 15: Stober, I., Fritzer, T., Obst, K., Schulz, R. (2011): Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie in Deutschland Aufl., BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit), 73 S., Berlin. Vosteen, H.D. & Schellschmidt, R. (2003): Influence of temperature on thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity for different types of rock. - Physics and Chemistry of the Earth, 28: Zoth, G. & Hänel, R. (1988): Appendix. In: Hänel, R., Rybach, L. & Stegena, I. [Hrsg.]. Handbook of Terrestrial Heat- Flow Density Determination. - Kluwer Academic Publishers, Dordrecht: Oktober Tiefengeothermie-Forum Bär, K. & Sass, I. 33