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Einzelprojekt 6: Entwicklung numerischer Analysemodelle zur lokalen seismischen Gefährdungseinschätzung vor Bohrbeginn und langfristige Bewertung von Geothermiefeldern unter Berücksichtigung THM:C gekoppelter Prozesse

Der während des MAGS1-Projektes entwickelte Ansatz der deterministischen FDM-Modellierung (finite Differenzen-Methode) zur dreidimensionalen, dynamischen Berechnung thermisch-hydraulisch-mechanisch (THM) bzw. thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch (THM:C) gekoppelter Geoprozesse mittels der Programmcodes FLAC3D bzw. FLAC3Dplus (ergänzt durch Eigenentwicklungen; Zhou & Hou 2012, 2013), TOUGH2 und TOUGHREACT bietet neue Möglichkeiten für die Gefährdungseinschätzung bei hydraulischer Stimulation bzw. dem Dauerbetrieb von Geothermievorhaben an einzelnen Standorten. Dies konnte für die Projektstandorte in Basel (Deep Heat Mining) und Hannover (GeneSys) mittels history matching bzw. Vorausberechnung gezeigt werden (Hou et al. 2011, 2012a, 2012b, 2013, Zhou & Hou 2012). Erste Einschätzungen bzgl. Seismizität-verursachender Mechanismen konnten für den Dauerbetrieb in Unterhaching gewonnen werden. Hier bedarf es aber noch tiefer gehender Untersuchungen.
Bisher war die Berechnung der 3D-Frac-Ausbreitung in dieser Form quasi nicht möglich (bisher nur pseudo3D, wie z.B. P3D oder planare 3D-Modelle; Economides & Nolte 2000). Vergleichbare Lösungen existieren vor allem nur für die Modellierung von Laborversuchen, die mittels akustischer Emissionsmessung verifiziert werden (Cai et al. 2007, Rutqvist et al. 2009, Yoon et al. 2012). Bei dem im EP6 entwickelten Simulationskonzept gibt es vorab keine definierten Annahmen, z.B. wie die Spannungsumlagerung bzw. der „stress-drop“ im Untergrund stattfinden wird (vgl. Baisch et al. 2010). Die theoretischen Modelle und die Codes müssen nun aber für die Anwendung auf die Produktionsphase – insbesondere aufgrund der wachsenden Komplexität von realen Geothermiefeldern – weiterentwickelt werden. Hier liegt der Fokus darauf, sensitive Betriebsparameter und deren standortspezifische Variationsbreite zu evaluieren, um schließlich einen Maßnahmenkatalog für den Betrieb zu erstellen, der eine Risikominimierung ermöglicht.
Während des MAGS1-Projektes wurde in Zusammenarbeit mit EP4 bereits begonnen ein neues Werkzeug für die Gefährdungseinschätzung in Form von synthetischen seismischen Katalogen zu entwickeln (Hou et al. 2012a). Diese werden aus 3D-FDM-Modellierungen generiert. Hierdurch wird ein Vergleich mit natürlich auftretender bzw. gemessener Seismizität ermöglicht, die einerseits eine Verifizierung der Modellierung ermöglichen und andererseits ggf. vorhandene Unterschiede bzgl. der Charakteristik der Seismizität erklären können. Der Katalog ermöglicht mit statistischen Methoden wiederum direkt eine Einschätzung bzgl. induzierter Seismizität und dessen Gefährdungspotential abzuleiten. Hierbei spielt u.a. auch der Aspekt der Triggerung von Seismizität eine wichtige Rolle, der durch modelltechnische Variationen eruiert werden kann. Des Weiteren ermöglicht dieser Ansatz bei entsprechender Datengrundlage an neuen Standorten schon in der Planungsphase – also vor Bohrbeginn – eine bisher noch nicht vorhandene Möglichkeit zur Gefährdungseinschätzung für induzierte Seismizität. Dadurch wird es möglich als Empfehlung standortgeeignete Betriebsmaßnahmen und ggf. Untergrund-abhängige Ausschluss-/Auswahlkriterien für eine geothermische Nutzung abzuleiten.

Balkenplan EP6 (PDF, 10 KB)
Projektvorstellung KickOff 12/2013
Projektvorstellung Workshop München 10/2014
Projektvorstellung Workshop Mainz 09/2015
Projektvorstellung gemeinsamer Workshop MAGS2 - SHynergie, Bochum 10/2016


Referenzen
Baisch, S.; Vörös, R.; Rothert, E.; Stang, H.; Jung, R.; Schellschmidt, R. (2010). A numerical model for fluid injection induced seismicity at Soultz-sous-Forêts. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences Vol. 47, No. 3; Elsevier: 405-413.
Cai, M.; Kaiser, P.K.; Morioka, H.; Minami, M.; Maejima, T.; Tasaka, Y.; Kurose, H. (2007). FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in larger-scale underground excavations. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 44. 550-564.
Economides, M.J.; Nolte, K.G. (2000). Reservoir Stimulation. 3th Edition, Wiley.
Hou, Z.; Gou, Y.; Rutqvist, J. (2010). Integration of the codes FLAC3D and TOUGHREACT for THMC coupled geoprocess simulations in reservoirs. 72nd EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2010, Barcelona, Spain, 14-17 June 2010.
Hou, Z.; Kracke, T.; Kopera, J.; Morales-Avilés, W.; Schlittenhardt, J.; Spies, T.; Zhou, L.;, Wang, X. (2012a): Bewertung der Ergebnisse numerischer Simulationen der induzierten Seismizität. Beitrag “Der Geothermiekongress 2012” Karlsruhe, Germany, 13-15 November 2012.
Hou, Z.; Kracke, T.; Zhou, L.; Wang, X. (2012b). Gebirgsmechanische Auswirkungen von Fracs im tiefen Untergrund des Norddeutschen Beckens: geologische Steinsalzbarriereintegrität und maximale Magnitude induzierter Mikrobeben anhand der GeneSys-Stimulation im Mai 2011. Erdöl Erdgas Kohle 11: 454-460.
Hou, 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.
Hou, Z.; Zhou, L.; Kracke, T. (2011). Vorausberechnung der Frac-Ausbreitung, Bruchmechanismen, Energiefreisetzung sowie Magnitude für die GeneSys-Stimulation im Mai 2011. Beitrag “Der Geothermiekongress 2011” Karlsruhe, Germany, 15-17 November 2011.
Hou, Z.; Zhou, L.; Kracke, T. (2013). Modelling of seismic events induced by reservoir stimulation in an enhanced geothermal system and a suggestion to reduce the deformation energy release. Proc. of First International Conference on Rock Dynamics and Applications (RocDyn-1) (ed. by Jian Zhao), 6 – 8 June 2013, Lausanne, Switzerland, © 2013 Taylor & Francis Group, London [in print].
Rutqvist, J.; Barr, D.; Birkholzer, J.T.; Fujisaki, K.; Kolditz, O.; Liu, Q.-S.; Fujita, T.; Wang, W.; Zhang C.-Y. (2009). A comparative simulation study of coupled THM processes and their effect on fractured rock permeability around nuclear waste repositories. Environmental Geology 57: 1347-1360.
Rutquist, J.; Tsang, C.F. (2003). TOUGH-FLAC: A numerical simulator for analysis of coupled thermal-hydrologicmechanical 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.
Yoon, J.; Zang, A.; Stephansson, O. (2012). Simulating fracture and friction of Aue granite under confined asymmetric compressive test using clumped particle model. Int. J. of Rock Mechanis and Mining Sciences 49: 68-83.
Zhou, L.; Hou, Z. (2012). Numerical simulation of micro-earthquakes induced by reservoir stimulation in the deep heat mining project Basel. In: Qian & Zhou 2012 (eds.): Harmonising rock engineering and the environment. Taylor & Francis Group, London: 1441-1446.
Zhou, L.; Hou, Z. (2013). A new numerical 3D-model for simulation of hydraulic fracturing in consideration of hydro-mechanical coupling effects. Int. J. of Rock Mechanics and Mining Sciences 60: 370-380.



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