Byerlee s Law, Heterogenitäten, Energiedichten und die Reduzierung geothermisch verursachter Brüche

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Catrin Hochberg
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1 Byerlee s Law, Heterogenitäten, Energiedichten und die Reduzierung geothermisch verursachter Brüche Dr. Winfried Kessels GEO-TIP GmbH; Burgdorf; (geo-tip@t-online.de) Der Geothermiekongress 2010 GTV Jahrestagung Karlsruhe, Germany, November 2010

2 Byerlee s Law, Heterogenitäten, Energiedichten und die Reduzierung geothermisch verursachter Brüche Tektonik und reduzierte Festigkeit oder induzierte Spannung? Hydraulische und thermische Wirkung auf die Gesteinsfestigkeit (Kluft oder Kontinuum?) Spannungsaufbau und Spannungsabbau in der Erdkruste Heterogenitäten Energiedichten Optionen technischer Optimierung

3 Plattenbewegung und Deformation

4 Gebirgsspannungsmessungen im Rahmen des KTB Projektes KTB HB - fracture test Brudy et. al. (1997)

5 stress Stress Mapping max stress Stress relaxation by brittle failure min stress vertical stress 15 km? Stress relaxation by creep depth Geothermische Wärmeenergie wird in größeren Tiefen immer aus einer mechanisch gespannten Kruste gewonnen!

6 water level below surface [m] (GWM 36_2) water level below surface [m] (GWM 36_1) Nordbergium Effekt als Beispiel für hydraulisch induzierte mechanische Spannungen. (Lauenburger Schichten bei Holßel nahe Bremerhaven) 7.0 water level measurements period: 3/22/98_12:00 to 3/28/98_12: Ton Ton Salz GWM 36_1: upper water-bearing bed switch Pumpe off aus switch Pumpe on ein Ausz_eng.GRF/PPT-Zo.9.98 Zoth, G., Kessels, W., Kümpel. J(1998) Druck ist hier mehrere Größenordnungen 3/22/98 3/23/98 3/24/98 3/25/98 3/26/98 3/27/98 3/28/98 date GWM 36_2: lower water-bearing bed Der gebirgsmechanisch induzierte hydraulische kleiner als auslösende Pumpendruck

7 Hydraulische und thermische Wirkung auf die Gesteinsfestigkeit (Kluft oder Kontinuum?) Einzelkluft Betrachtung Kontinuum Betrachtung s H s H S n S t s h S n s h S t s h s h s H s H Betrachtung der Kluftreibung S t /S n (Byerlee,1960) worst case Fall Kluftrichtung mit S t /S n Maximum

8 Scheerspannung (deviatorische Spannung) s D Die natürlichen Krustenprozesse Langsamer Aufbau der Scheerspannung durch tektonische Deformation Bruch Stabilität Byerly1960: Earthquake mechanisms. Science, 131: Abbau der Scheerspannung durch Mikro- oder Makrobrüche Änderung der deviatorischen Spannung hydrostatischer Spannungsanteil - Porendruck s 0 -P

9 Scheerspannung (deviatorische Spannung) s D Die Grundwasser Förderung Schnelle Senkung des Porendruckes durch Pumpen Bruch Stabilisierung Stabilität Änderung der effektiven Spannung hydrostatischer Spannungsanteil Porendruck (effektive Spannung) s 0 -P

10 Scheerspannung (deviatorische Spannung) Die Wasserinjektion und die Auskühlung s D Thermische Kontraktion und hydraulische Druckerhöhung reduzieren die effektive Spannungskompression Bruch Stabilität Abbau der Scheerspannung durch Mikro- oder Makrobrüche Temperatur und hydraulischer Druck wirken in nicht direkt auf die deviatorische Spannung sondern nur über die Bruchfestigkeit hydrostatischer Spannungsanteil - Porendruck s 0 -P

11 Stabilität einer geothermischen Dublette Die Injektion in die Kruste ist kritisch Die Förderung wirkt stabilisierend!ausnahmen beim Stoppen der Zirkulation!

12 Teufe [km] Spannungsaufbau und Spannungsabbau in der Erdkruste Spannung de k /dt<de m /dt<de g /dt spröd Bruch Z= 15 km? viskose Eigenschaften

13 Die Ausdehnung von Bohrkernen und die Emission akustisch wahrnehmbarer Mikrobrüche nach der Kernentnahme Wolter et. al. 1989

14 Heterogenitäten s v Scherspannung der spröd brechenden Kruste Sehr kleine Scherspannung im Salz

15 Heterogenitäten s D, s B (s 0 -P ),P Natürlicher Zustand s D, s B (s 0 -P ),P Zustand nach Injektion

16 Wahrscheinlichkeit für einen Bruch Bruchwahrscheinlichkeit Bruchfestigkeit Eine inhomogene nicht exakt bekannte Kruste entspricht der Realität! 1 inhomogener Gesteinsverbandes (gestrichelte Linie) P deij/dt Formationsdruck Steigerung durch Injektion 0 homogener Gesteinsverband (durchgezogene Linie) Spannungszustand der ungestörten Kruste P sm [mittlere Spannung oder Normalspannung auf der Kluft] - P [Formationsdruck] = seff

17 Skalen Längen der Heterogenitäten Bruch Größe Seismische Magnitude eines Bruchvorganges.

18 Energiedichten Spannung = deviatorische Spannung + kompressive Spannung = + Nur Energie der deviatorische Spannung kann freigesetzt werden! Die deviatorische Energiedichte nimmt mit der Teufe zu! Konsequenz für die Geothermie Reinjektion möglichst in geringer Teufe

19 Energiedichten F Scher F ges F m = - F ges u s ij ij s F m m um

20 Dichte der freien Energie für typische Krustenwerte Bruch Energie: Gespeicherte freien Energie wird nicht vollständig beim Bruch freigesetzt. Nur ein Teil wird in kinetische Energie (spürbar als Beben) umgesetzt. Rest = Reibungswärme. Forschungsaufgabe: Für den hydrostatisc hen Druck P ergibt sich 2 F ges P kinetische Energie +Reibungswärme = f(kluftorientierung)

21 Plausible Hypothesen: die hydraulische Druckerhöhung um die Injektionsbohrung beschränkt das Bruchgebiet. Beschränkte räumliche Druckausbreitung beschränkt auch die mögliche Magnitude eines seismischen Ereignisses.

22 Optionen technischer Optimierung Injektion in möglichst geringen Teufen Begrenzung der räumlichen Ausbreitung des hydraulischen Druckes Reduzierung der großräumig auftretenden hydraulischen Druckerhöhungen. Realisierung einer guten hydraulischen Verbindung zwischen Injektionsbohrung und Förderbohrung Durchführung von Luft- beziehungsweise Satellitenbild Auswertungen zur Bestimmung von Linearen (Hinweise auf Kluft und Störungszonen) Orientierung vom Kluft und Störungszonen möglichst nicht 45 zur Orientierung der Hauptkrustenspannungen Kleine mittlere Abstände zwischen den Heterogenitäten in der Kruste verringern die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten großer Brüche. Vermeiden von Gebieten mit hohen Deformationsraten oder (und) hoher natürlicher Seismizität

23 Optionen technischer Optimierung Vermessung der Borlochgeometrie durch Logging (Spannungsorientierung) Durchführung von Minni-Frac Versuchen wenn finanzierbar. Pumpteste in zwei bis drei Druckstufen an beiden Bohrungen über einen größeren Zeitraum (> 7 Tage) Injektionstest in zwei bis drei Druckstufen an beiden Bohrungen über einen größeren Zeitraum (> 7 Tage) Hochfrequente seismoakustische Beobachtung in den Bohrungen an ausgewählten Teufen Seismische Beobachtung in den Bohrungen ohne Förderung oder Injektion Seismische Beobachtung Übertage.

24 Menschliche Existenz mit einer null Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung mit der Umwelt ist nicht möglich. Nur die Konzentration auf die Krustenprozesse erlaubt die Erarbeitung von Vermeidungsstrategien und hilft auch langfristig der Gewinnung geothermischer Energie Danke

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