Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenarien zur Ausbreitung von Fracking-Flüssigkeit und Methan
Migration
Münster, 24. Februar 2012
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
• Ausbreitung der Fracking Flüssigkeit (Szenario 1 & 2) • Methanmigration (Szenario 3)
Szenario 3 Szenario 1
Szenario 2
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Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Aufgabe der Modellierung:
l Erstellung von Worst Case Szenarien zur qualitativen Beschreibung möglicher Ausbreitungsvorgänge
l Einteilung und Erstellung von Szenarien nach Dauer, Größe und Art der
treibenden Kräfte • Modellergebnisse sollen
- zu besserem Verständnis der Prozesse führen - Prozesse veranschaulichen - helfen relevante Prozesse zu identifizieren
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Ausbreitung der Fracking Flüssigkeit (Szenario 1 und 2)
Problematik: - Ausgangslage: Ausbreitung, der durch Fracking erzeugten Klüfte
außerhalb der gasführenden Schicht
- Möglicher Austritt von Fracking Flüssigkeit aus der gasführenden Schicht in darüber liegenden grundwasserführende Schichten
- Vertikaler Transport entlang großem Druck Gradienten für die Dauer
des Fracking Vorgangs (Szenario 1)
- Horizontaler Langzeittransport entlang des „schwachen“ natürlichen hydraulischen Gradienten (Szenario 2)
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Szenario 1 (1)
Ziele:
• Qualitative Beschreibung möglicher Ausbreitungsvorgänge über mögliche Wegsamkeiten (Fließpfade)
• Variation der Parameter zur Identifikation möglicher Störungszonen - Permeabilität - Effektive Porositätsverteilung
• Variation des anstehenden Drucks durch den Fracking Vorgang
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Szenario 1 (2) Aufbau:
• Kleinskalige Modellgebiete an Beispiel-Standorten in Nordrhein-
Westfalen und Niedersachsen (siehe nachfolgende Folie)
• Hydraulischen Parameter aus Bohrprofilen (→ siehe Settings Geologie)
• Zeitdauer entsprechend Fracking
Prozess (ca. 2h → hohe Drücke) und Entspannungsphase (ca. 12h → natürliche Druckverhältnisse)
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Szenario 1 (3)
• Fracking Fluid breitet sich in der gasführenden Schicht aus.
• Simuliert wird der Fall Worst Case: Fracking Flüssigkeit breitet sich außerhalb der gasführenden Schicht aus
Gasführende Schicht
Störungszone
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Szenario 1 (3) Aufbau: Draufsicht gesamtes Modellgebiet:
x
y
Störungszone Eindringfläche Fracking Fluid
1000m
1000m
Draufsicht simuliertes Gebiet
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Szenario 1 (6) Betrachtete Settings für die Modellierung (siehe Vortrag M. Sauter) Settings Niedersachsen: • Vechta • Damme • Quakenbrück-Ortland • Lünne Settings Nordrhein-Westfalen: • Borken • Nordwalde • Bad Laer
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Eindringfläche
Eindringende Fracking Flüssigkeit Nach 12 Stunden Simulation
Szenario 1 (4) Beispielhafte Ergebnisse für Setting Borken: Schichten mit verschiedenen Permeabilitäten und Porositäten
Schichten des Setting Borken
z
y x
500m 500m
800m
flächige Störungszone
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0 100 200 300 400 500 600 700 800
1 2 3 4 6 7 8 9 11 12 13 14
Vert
ikal
e Ei
ndrin
gtie
fe [m
]
Simulations Nummer
Simulation Überdruck [bar] Permeabilität
Störungszone [m2] Porosität
Störungszone [ -] Maximale vertikale
Ausbreitung [m] 1 50 - - 5 2 50 2,67E-016 0,01 0 3 50 2,67E-016 0,00 5 4 50 9,14E-014 0,01 17 5 50 9,14E-014 0,00 61 6 150 - - 5 7 150 2,67E-016 0,01 5 8 150 2,67E-016 0,00 11 9 150 9,14E-014 0,01 27
10 150 9,14E-014 0,001 122,931 11 300 - - 5 12 300 2,67E-016 0,01 5 13 300 2,67E-016 0,00 11 14 300 9,14E-014 0,01 44 15 300 9,14E-014 0,00 175
50 bar 150 bar 300 bar
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Szenario 2 (1) Aufbau: • Großskaliges Modellgebiet (100km Länge) • Modellgebiet basiert auf 2d Schnitt durch
das Münsterländer Kreidebecken (→ s. 2D Schnitt IHS)
Hydraulischer Gradient Störungszone
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Szenario 2 (2)
Ziel:
• Qualitative Beschreibung des Langzeittransports der Fracking Flüssigkeit
• Vertikale Störungszonen durch den Cenoman-Turon sowie den schlecht durchlässigen Emscher Mergel sollen auch vertikalen Transport berücksichtigen
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Szenario 2 (4) Aufbau:
• Horizontaler Transport entlang natürlichem hydraulischen Gradienten
• Simulation über lange Zeiträume aufgrund geringer
Fließgeschwindigkeiten
• Transport der Fracking Flüssikeit als konservativer Tracer in der Wasser Phase
• Annahme: Tracer befindet sich im gut durchlässigen Cenoman-Turon über dem Carbon (gasführender Schicht)
• Einbau von vertikalen Störungszonen an verschiedenen Punkten
Szenario 1 (4)
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Szenario 2 (5) Überhöhter hydrogeologischer Schnitt des Münsterländer Beckens
Wirkliche Form des hydrogeologischen Schnitts
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Szenario 2 (6)
1800m
1350m
Permeabilitäten des Hydrogeologischen Schnitts
Störungszone
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-Annahmen: - globale hydraulische Gardient 4,4 10-4
- Quelle Frackflüssigkeit ca 100 m3
-Variation der Position der Fahne und des vertikalen hydraulischen Gradienten
30 Jahre
Fahne 100m vor der Störungszone
Ein Teil der Fracking Flüssigkeit steigt hier auf
30 Jahre ca. 700m Migration im Cenoman Turon
Fahne in der Störungszone
Kein Aufstieg der Fracking Flüssigkeit
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Methan Migration Szenario 3 (1) Problematik: • Mögliche Ausbreitung von Methan als eigenständige Phase und in
Wasser gelöst
• Durch Fracking erzeugte Klüfte könnten sich außerhalb der gasführenden Schicht ausbreiten
Methan
Gelöstes Methan
Grundwasser- strömung
Sand Körner
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Methan Migration Szenario 3 (3)
Szenarioaufbau: • Beschreibung möglicher Methan Migration mit 2 Fluid-Phasen (Wasser
plus Gas (Methan)) und 2 Komponenten Modell (Methan und Wasser) • Langzeitsimulation (100 Jahre) • Treibende Kraft: Auftriebskräfte (Fluiddichte Unterschiede) • Berücksichtigung örtlicher hydrogeologischer Schichtungen (Settings) • Vereinfachter hydrogeologischer Aufbau des Modells äquivalent zu
Szenario 1 • Injektion von Rest-Methan-Raten aus der gasführenden Schicht in das
Modellgebiet
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Methan Migration Szenario 3 (4)
• Beim Fracking Prozess wird Methan mobilisiert • Simuliert wird der Worst Case:
Methan breitet sich außerhalb der gasführenden Schicht aus
Methan und Formationswasser
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• Grobe Abschätzung der Eindringrate von Methan als Randbedingung :
Zeit
Förd
er R
ate
10 Jahre 17 Jahre
• Abschätzung der Methanrate mit Hilfe von Förderkurven à USA Standorte • Abschätzung des Volumens durch geschätzte Fördervolumina von ExxonMobile • Annahme: Methan Migration findet nach 10 Jahren Förderung statt
Entweichendes Volumen à Quelle als (Neumann) Randbedingung
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Szenario 3 (5) Aufbau: Draufsicht gesamtes Modellgebiet:
x
y
Störungszone Eindringfläche Methan
1000m
1000m
Draufsicht simuliertes Gebiet
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Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger Eindringfläche
Sättigung der Methanphase nach 4 Jahren
Methan Migration Szenario 3, z.B. Lünne
Schichten des Setting Luenne
z
y x
500m 500m
1250m
flächige Störungszone
Schichten mit verschiedenen Permeabilitäten und Porositäten
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Methan Migration Szenario 3 (7)
Betrachtete Settings für die Modellierung Settings Niedersachsen: • Vechta • Damme • Quakenbrück-Ortland • Lünne
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Methan Migration Szenario 3 Simula'on Masse CH4 in
Atmosphäre nach 100 Jahren [kg]
Masse CH4 in Atmosphäre in Rela'on zur injizierten Masse CH4 [%]
Lünne 1 1,549,520 54 Lünne 2 1,141,480 40 Quaken 1 1,717,240 59 Quaken 2 1,418,600 49 Damme 1 231,196 8 Damme 2 39,328 1 Vechta 1 289,488 10 Vechta 2 0 0
z.B. Lünne 1
Diskussion: Parameter und Randbedingungen • Neumann RB à konstanter Fluss über einen festen Zeitraum • Eingangspaprameter z.B. res. Sättigung, Porosität, Permeabilität à konservativer Szenarienaufbau, große Variabilität der Modellparameter
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Zusammenfassung • Auswahl von Szenarien auf der Basis von Expertenwissen
• Einbeziehung standortrelevanter Parameterverteilungen in ausgewählten Szenarien
• Einbeziehung der gasführenden Schicht erfolgt über die Annahme „konservativer“ Randbedingungen
à Für genauere Betrachtungen müsste: • der Frackvorgang (geomechanisches Modell) und • die Methanfreisetzung (Kluftmodell) untersucht
werden
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Methan Migration Szenario 3 (2) Problematik: (Methan in Phase) • Methan Ansammlungen an Dom- bzw.
Antiklinalstrukturen an der Grenze zu schlecht durchlässigen Schichten
• Durch ansteigende Methan Sättigung ansteigender Gas Druck an Domstrukturen → Stärkere Migration an bereits vorhandenen Störungszonen
→ Entstehung von neuen Störungszonen durch erhöhten Gasdruck
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Beispielhafte Störfallbetrachtung: Austritt von Fracking Fluid in Trinkwasser Aquifer Problematik: Eine bestimmte Menge an Fracking Fluid dringt über eine
Leckage am Brunnen in den Aquifer und wird mit der Grundwasserströmung als konservativer Tracer transportiert
Ziel: Bestimmung möglicher Ausbreitungsradi der Fracking Flüssigkeit bei
unterschiedlicher Parametrisierung des Grundwasserhorizonts und unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten