Einzelprojekt 6: THMC gekoppelte Untersuchungen zu Mechanismen und freigesetzten Deformationsenergien der seismischen Ereignisse in der Reservoirstimulations- und Betriebsphase

Schema der Modellkonzepte für Stimulations- (links) und Betriebsphase (rechts) unter Berücksichtigung dynamischer THM bzw. THM:C-gekoppelter Prozesse Quelle: TU Clausthal / efzn

Eine deterministische Vorhersage von Erdbeben ist nach bisherigem Wissensstand unmöglich. Die bisher eingesetzten Simulatoren gehen von einer probabilistisch abgeschätzten maximalen bzw. vorgegebenen Magnitude aus und beruhen auf einer statistischen Methode, in der die Beben durch eben diese Magnitude klassifiziert und ihre Eintrittswahrscheinlichkeiten errechnet werden. Sie basieren weitgehend auf hypothetischen Annahmen über den Entstehungsort, den Eintrittszeitpunkt und die dominierenden Mechanismen, die zur Auslösung der seismischen Aktivitäten führen, und sind deshalb mit Unsicherheiten behaftet. Vielmehr sind sie funktionell darauf ausgelegt, die Folgen des Bebens (Intensität) an der Tagesoberfläche in Form von strukturellen Schäden zu ermitteln und Empfehlungen für geeignete Bau- bzw. Gegenmaßnahmen zu erarbeiten. Angaben über Quelle und Entstehung eines Bebens, z.B. wann, wo, warum und wie hoch die freigesetzte Deformationsenergie ist, sind folglich durch solche Erdbebensimulatoren noch nicht möglich. Bislang stehen noch keine numerischen Modelle zur Verfügung, die in der Lage sind, die freigesetzte Deformationsenergie und ihre Energiefreisetzungsrate unter Berücksichtigung der geothermalen, dynamischen Prozesse mit Berücksichtigung der THM:C-Kopplungen (T: thermisch, H: hydraulisch, M: mechanisch, C: chemisch) zu berechnen und somit die künstlich induzierten Mikrobeben zu simulieren.

Dieses Projekt beschäftigt sich vorerst mit der Nachsimulation bzw. Vorausberechnung der durch die Stimulation und durch den Dauerbetrieb induzierten Seismizitäten bzw. Mikrobeben. Dies beinhaltet nicht die Simulation natürlicher und getriggerter Erdbeben. Hierbei wird auf die in EP4 ermittelte Standortauswahl zurückgegriffen, um seismisch aktive Lokationen zu vermeiden.

Um die natürliche Zeitfolge des Entstehens der induzierten Beben realitätsnah wiedergeben zu können, erfolgt in diesem Einzelprojekt die Umsetzung eines entsprechenden Simulationskonzepts, um den Stimulationsvorgang und die Betriebsphase zu optimieren bzw. die Georisiken zu minimieren. Daher sind folgende Arbeitsziele im EP6 zu erreichen:

• Bestimmung der dominierenden Frac-Mechanismen in einer geothermalen und in einer Erdöl- und Erdgasbohrung sowie Aufklärung der Ursachen für die Seismizität an den Standorten mit tiefer geothermischer Energiegewinnung
• Weiterentwicklung eines THM-gekoppelten Modells für eine realitätsnahe Simulation und Erfassung wesentlicher Merkmale der induzierten Seismizität während der hydraulischen Reservoirstimulationsphase sowie seine Verifizierung anhand von Messdaten
• Neuentwicklung eines THM:C-gekoppelten Modells für eine realistischere Simulation der Betriebsphase und Erfassung wesentlicher Merkmale der induzierten Seismizität während langjähriger Zirkulationsphasen sowie Verifizierung des Modells anhand von Messdaten
• Erste Vorausberechnungen der zeitabhängigen und räumlich verteilten seismischen Ereignisse in der Betriebsphase und Vergleich der Berechnungen mit Messwerten der Projektpartner (EP1, EP2, EP3)
• Optimierung der Injektions-/Zirkulationsparameter zur Vermeidung spürbarer Mikrobeben bei hydraulischen Stimulationen und im Dauerbetrieb geothermischer Kraftwerke
• Beiträge zum Prozessverständnis der induzierten Mikrobeben und der Minimierung des damit verbundenen Georisikos sowohl bei hydraulischer Stimulation als auch während des Kraftwerkbetriebs

Balkenplan EP6 (PDF, 10 KB)
Einzelprojekt 6 - Stand der Arbeiten (03/2012) (PDF, 1 MB)
Einzelprojekt 6 - Stand der Arbeiten (10/2012) (PDF, 1.002 KB)
Einzelprojekt 6 - Stand der Arbeiten (04/2013) (PDF, 708 KB)
Einzelprojekt 6 - MAGS-Abschlussworkshop (09/2013) (PDF, 3 MB)
Abschlussbericht EP6 (TU Clausthal/efzn) - THM:C gekoppelte Untersuchungen zu Mechanismen und freigesetzten Deformationsenergien der seismischen Ereignisse in der Reservoirstimulations- und Betriebsphase (PDF, 7 MB)

Referenzen

Hou, M.Z., Gou, Y. & Rutqvist, J. 2010: Integration of the codes FLAC3D and TOUGHREACT for THMC coupled geo-process simulations in reservoirs. 72nd EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2010, Barcelona, Spain, 14-17 June 2010.

Hou, M.Z. & Zhou, L., 2010. THM gekoppelte dynamische Simulationsmethode zur Vorausberechnung der freizusetzenden Deformationsenergie und ihre erste Anwendung zur Nachsimulierung der DHM Basel induzierten seismischen Ereignisse. DGMK Tagungsbericht 2010-1. DGMK/ÖGEW-Frühjahrstagung 2010, Fachbereich Aufsuchung und Gewinnung, Celle, 12./13. April 2010.

Rutqvist, J. & Tsang, C.F. 2003: TOUGH-FLAC: A numerical simulator for analysis of coupled thermal-hydrologic-mechanical processes in fractured and porous geological media under multi-physe flow conditions. Proceedings of TOUGH Symposium 2003, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California, May 12-14, 2003. Link