szenarien zur ausbreitung von fracking-flüssigkeit und methan
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Szenarien zur Ausbreitung von Fracking-Flüssigkeit und Methan Berlin, 03. März 2012 Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander KissingerTRANSCRIPT
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenarien zur Ausbreitung von
Fracking-Flüssigkeit und Methan
Migration
Berlin, 03. März 2012
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
� Erstellung konservativer Szenarien zur qualitativen Beschreibung möglicher Ausbreitungsvorgänge
� Einteilung und Erstellung von Szenarien nach Dauer, Größe und Art der treibenden Kräfte
• Es werden keine Felddaten herangezogen
� keine Verifizierung und keine Validierung
• Einbeziehung geschätzter, standortrelevanter Parameterverteilungen
• Einbeziehung der gasführenden Schicht erfolgt über die Annahme „konservativer“ Randbedingungen
� sie basieren nicht auf gemessenen Daten
Modellergebnisse lassen keine quantitative Beurteilung zu, sondern stellen eine Basis zur Identifikation relevanter Prozesse dar.
Modellierungsrahmen
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
• Ausbreitung der Fracking Flüssigkeit (Szenario 1 & 2)
• Methanmigration (Szenario 3)
Szenario 3Szenario 1
Szenario 2
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
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)
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
0
1.000
1.600
200
400
600
800
1.200
1.400
upper Aquifer
geological barrier ("Emscher Mergel")
lower Aquifer
local barrier
Carboniferous
1.800
2.000
Gas reservoirNormal Case:- No influence of fracking on upper layers- absence of fault Zones or Strontiant veins- absence of old boreholes or mining shafts
Fracking Annahmen Normalfall
Normal Fall:
-Keine Beeinflussung der höher gelegenen Schichten durch Fracking
-Keine Störungszonen oder Stronzianit Gänge
-keine Bohrlöcher oder Minenschächte
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 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
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 1 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)
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 1
• Fracking Fluid breitet sich in der gasführenden Schicht aus.
• Simuliert wird der konservativer Fall:Fracking Flüssigkeit breitet sichaußerhalb der gasführenden Schicht aus
Gasführende Schicht
Störungszone
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Fault zone
0
1.000
1.600
200
400
600
800
1.200
1.400
upper Aquifer
geological barrier ("Emscher Mergel")
lower Aquifer
local barrier
Carboniferous
1.800
2.000
Gas reservoir
Normal Case
Conservative Case
High fracking pressures act directly at the interfacebetween gas reservoir andabove layers for 2 hours
Fracking fluid escapes directly into a fault zone
Upper limits of permeability values are chosen
1
2
3
1
2
3
Scenario 1: Konservative Annahmen
Obere Grenze der plausiblenPermeabilitäten der Störungszone
Fracking Fluid kann direkt in eine Störungszone eindringen
Hohe Fracking Drücke wirken direkt an der Grenze zwischen gasführender Schicht und darüber liegenden Schichten für 2 Stunden
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 1Aufbau:
Draufsicht gesamtes Modellgebiet:
x
y
StörungszoneEindringfläche Fracking Fluid
1000m
1000m
Draufsicht simuliertes Gebiet
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 1
Betrachtete Settings für die Modellierung (siehe Vortrag M. Sauter)
Settings Niedersachsen:
• Vechta
• Damme
• Quakenbrück-Ortland
• Lünne
Settings Nordrhein-Westfalen:
• Borken
• Nordwalde
• Bad Laer
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Eindringfläche
Eindringende Fracking Flüssigkeit Nach 12 Stunden Simulation
Szenario 1
Beispielhafte Ergebnisse für Setting Borken:
Schichten mit verschiedenenPermeabilitäten und Porositäten
Schichtendes SettingBorken
z
yx
500m500m
800m
flächigeStörungszone
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ver
tika
le E
ind
rin
gti
efe
[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
5 150 - - 5
6 150 2,67E-016 0,01 5
7 150 2,67E-016 0,00 11
8 150 9,14E-014 0,01 27
9 300 - - 5
10 300 2,67E-016 0,01 5
11 300 2,67E-016 0,00 11
12 300 9,14E-014 0,01 44
50 bar 150 bar 300 bar
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 2
Aufbau:
• Großskaliges Modellgebiet (100km Länge)
• Modellgebiet basiert auf 2d Schnitt durchdas Münsterländer Kreidebecken(→ s. 2D Schnitt IHS)
Hydraulischer Gradient Störungszone
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 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
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 2Aufbau:
• 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)
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Fault zone
0
1.000
1.600
200
400
600
800
1.200
1.400
upper Aquifer
geological barrier ("Emscher Mergel")
lower Aquifer
local barrier
Carboniferous
1.800
2.000
Gas reservoir
Normal Case
Fracking fluid is placed directly into a fault
Upper limits of permeability values are chosen
A certain amount of frackingfluid is assumed to bepresent in the Cenoman Turon initially.
High vertical gradients for thefault zone are chosen
1
2
3
4
1 2
3
4
Conservative Case
CBM MünsterlandScenario 2: Worst Case
Hohe vertikale Gradientenin der Störungszone
Obere Grenze der plausiblenPermeabilitäten
Fracking Fluid wird in derNähe der Störungszone plaziert
Initiale Menge an Fracking Fluid im Cenoman Turon vorhanden
Scenario 2: Konservative Annahmen
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 2Überhöhter hydrogeologischer Schnitt des Münsterländer Beckens
Wirkliche Form des hydrogeologischen Schnitts
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 2
1800m
1350m
Permeabilitäten des HydrogeologischenSchnitts
Störungszone
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
-Annahmen: - globale hydraulische Gardient 4,4 10-4
- Quelle Frackflüssigkeit ca 100 m3
-Variation des vertikalenhydraulischen Gradienten
30 Jahre
dh = 0m
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
30 Jahre
30 Jahre
dh = 30m
dh = 60m
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 3
Problematik:
• Mögliche Ausbreitung von Methan als eigenständige Phase und in Wasser gelöst
• Durch Fracking erzeugte Klüfte
könnten sich außerhalb der
gasführenden Schicht ausbreiten
Methan
GelöstesMethan
Grundwasser-strömung
Sand Körner
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 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
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Fault zone
0
1.000
1.600
200
400
600
800
1.200
1.400
upper Aquifer
geological barrier ("Emscher Mergel")
lower Aquifer
local barrier
Carboniferous
1.800
2.000
Gas reservoir
Normal Case 1
2
3
4
1
2
3
4
All the left overmethane escapeswith a constant rate over several years
Methane escapes directly into a fault zone
No heterogeneities leadingto a stronger horizontal spreadingor trapping are considered
Upper limits of permeability values are chosen
Conservative Case
Obere Grenze der plausiblenPermeabilitäten
Methan kann direkt in eine Störungszone eindringen
Alles mobilisierte Methan was nicht gefördert wird dringt direkt in das Modellgebiet ein
Keine Heterogenitäten, die zu verstärkter horizontaler Ausbreitung und Trapping führen können
Scenario 3: Konservative Annahmen
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 3
•Beim Fracking Prozesswird Methan mobilisiert
•Simuliert wird der konservative Fall:Methan breitet sich außerhalb dergasführenden Schicht aus
Methan undFormationswasser
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
• Grobe Abschätzung der Eindringrate von Methan als Randbedingung :
Zeit
För
der
Rat
e
10 Jahre 17 Jahre
• Abschätzung der Methanrate mit Hilfe von Förderkurven � USA Standorte
• Abschätzung des Volumens durch geschätzte Fördervolumina von ExxonMobile• Annahme: Methan Migration findet nach 10 Jahren Förderung statt
Entweichendes Volumen� Quelle als (Neumann) Randbedingung
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Szenario 3Aufbau:
Draufsicht gesamtes Modellgebiet:
x
y
StörungszoneEindringfläche Methan
1000m
1000m
Draufsicht simuliertes Gebiet
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Eindringfläche
Sättigung der Methanphase nach 4 Jahren
Methan Migration Szenario 3, z.B. Lünne
Schichtendes SettingLuenne
z
yx
500m500m
1250m
flächigeStörungszone
Schichten mit verschiedenenPermeabilitäten und Porositäten
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 3
Betrachtete Settings für die Modellierung
Settings Niedersachsen:
• Vechta
• Damme
• Quakenbrück-Ortland
• Lünne
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 3
Simulation Masse CH4 in
Atmosphäre
nach 100
Jahren [kg]
Masse CH4 in
Atmosphäre in
Relation 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 � konstanter Fluss über einen festen Zeitraum• Eingangspaprameter z.B. res. Sättigung, Porosität, Permeabilität
� konservativer Szenarienaufbau, große Variabilität der Modellparameter
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
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
� Für genauere Betrachtungen müsste:
• der Frackvorgang (geomechanisches Modell) und
• die Methanfreisetzung (Kluftmodell) untersucht
werden
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
• Modellierung ist als Vorstudie zu betrachten:
� weitere Untersuchungen unter Einbeziehung von gemessenen standortrelevanten Daten sind erforderlich über längere Zeiträume
• Aufbau von Teststandorten mit Monitoring-Programm
� zur Ermittlung relevanter Rand- und Anfangsbedingungen
• Einbeziehung geochemischer Ansätze (z.B. Isotopenanalyse) zur besseren Festlegung der Rand- und Anfangsbedingung
• Anmerkung: CCS Untersuchungsprogramme können als Grundlage dienen!
Erste Empfehlungen auf Grundlage der Gutachterhinweise
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Methan Migration Szenario 3 (2)Problematik: (Methan in Phase)
• Methan Ansammlungen an Dom- bzw.Antiklinalstrukturen an der Grenze zuschlecht durchlässigen Schichten
• Durch ansteigende Methan Sättigungansteigender Gas Druck an Domstrukturen
→ Stärkere Migration an bereits vorhandenenStörungszonen
→ Entstehung von neuen Störungszonendurch erhöhten Gasdruck
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
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
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
Aufgabe der Modellierung:
� Erstellung von konservativen Szenarien zur qualitativen Beschreibung möglicher Ausbreitungsvorgänge
� 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
Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien
Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger
30 Jahre
Fahne 100m vor der Störungszone
Ein Teil der Fracking Flüssigkeitsteigt hier auf
30 Jahre
ca. 700m Migration im Cenoman Turon
Fahne in der Störungszone
Kein Aufstieg der FrackingFlüssigkeit