Hydraulische Stimulation von tiefen Erdschichten - FRACKING -

zur Gewinnung von Energierohstoffen

Dr. Johannes Peter Gerling

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover

Expertenhearing, Zweckverband Großraum Braunschweig, 3. Juli 2012

Wie wird ein Frac erzeugt?

Fracoperation: Begleitendes Monitoring

Deformationsmessung

(Uni Hannover)

Schallmessung

Seismologisches

Monitoring

GeneSys: Keine seismischen Ereignisse oder Deformationen registriert !

Wo/wann wird diese Methode eingesetzt?

Ziele • Petrothermale Geothermielagerstätten

• tief liegende, nahezu dichte Erdgaslagerstätten („tight gas“)

• Flözgas / Schiefergas

Einsatzstoffe • Reines Wasser

• Wasser mit Zusätzen (Stützmittel, Chemikalien)

Tiefen • Geothermie > 3000 m

• Tight gas 3000 – 5000 m

• Flözgas/Schiefergas 1000 – 5000 m

Fracking Fluide für Schiefergas:

Hydraulische Suspensionen aus:

Wasser

Sand/Keramik 5 – 32 % [geom. Mittel 18,3 %]

Chemikalien 0,2 – 11 % [geom. Mittel 1,55 %]

Chemikalien sollen Entmischung der Suspensionen sowie

Wachstum von Biofilmen verhindern

Folie: T. Himmelsbach

Chemikalien

• Biozide

• Tenside

• Lösungsmittel

• pH-Stabilisatoren

• Sauerstoffzehrer

• Erdölderivate

• sonstige

In Deutschland ca. 25 – 30 Substanzen eingesetzt (Quelle: http://www.erdgassuche-in-deutschland.de)

teilweise schwer abbaubar und toxisch

Wassergefährdungsklassen 1 bis 3

Einstufung nach Gefahrstoffrecht

(Gesundheit): Xn = Gesundheitsschädlich Xi = reizend

T = Giftig C = Ätzend

Kontamination des Grundwassers muss sicher

ausgeschlossen sein

Folie: T. Himmelsbach

Wasser: 382 m3

Stützkörper: 72 t

Chemikalien: 5,7 t (1,2 %)

davon 2,2 t gefährliche

Chemikalien

Quelle:

http://www.erdgassuche-in-deutschland.de/index.html

Folie: T. Himmelsbach

Beispiel: Soehlingen Z6

Quelle: Geotektonischer Atlas von NW-Deutschland (BGR 2001)

Hydrogeologische Situation Norddeutschland (Raum Lüneburg)

Tonbarriere

„Rupelton“

Folie: T. Himmelsbach

Tiefenwasserstockwerk (salinare Aquifere)

Tonbarriere

Süßwasserstockwerk

• Klare Trennung zwischen oberflächennahen nutzbarem Süßwasser und

hochsalinen Tiefenwasser aufgrund von Tonbarrieren und

Dichteunterschieden von Süß- und Salzwässern (hydraulische Barriere)

• Kontamination von oberflächennahem Süßwasser aufgrund der

hydrogeologischen Situation wenig wahrscheinlich

• Kritische Bereiche Salzstöcke und Störungszonen

Folie: T. Himmelsbach

Prognose der Rissausbreitung durch Modellierung

Gesamtziel der Modellberechnungen • Abschätzung der Rissdimensionen bei der Stimulation

unkonventioneller Kohlenwasserstoff-Lagerstätten

• Ableiten der Bedingungen für einen möglichen Kontakt von injiziertem Fluid und Grundwasserleiter

Vorgehensweise (Beispielberechnung) • Software FieldPro der Fa. RESNET

• Definition einer beispielhaften Modell-Lithologie

(Bsp. für Norddeutsches Becken)

• Zuordnen der gebirgsmechanischen und -hydraulischen Parameter

• Berechnung der resultierenden Rissdimensionen

Rissausbreitung bei hydraulischer Stimulation

Modell-

eingangsparameter

• Injektionsrate und

-volumen, Fluidarten

• Geohydraulische

Parameter

• Gesteinsmechanische

Parameter

• Gebirgsspannungen

sv

sH

sh

0 100 200 300

100

200

300

370

0

0 230 bar

m

0

283

448

614

779

945

1110

1276

Injektions-

horizont

H =

3 7

0 m

1

2

Spannungsprofil Tiefe

L/2 = 270m

minimale horizontale

Hauptspannung

Modellergebnis (1)

Rissausbreitung bei hydraulischer Stimulation

L = 270 m

H =

37

0 m

K = 1·10-20 m²

Injektion von 5000 m³ Wasser mit 100 l/s

1 Ring = 1 h

Modellergebnis (2)

Rissausbreitung bei hydraulischer Stimulation

Injektion von 5000 m³ Wasser mit 100 l/s

K = 1·10-13 m²

L = 320 m

H =

32

0 m

1 Ring = 1 h

• Fracking ist eine seit Jahrzehnten in DEU praktizierte Technologie

• Fracking im tiefen Untergrund ist wg. des Abstands zur Erdoberfläche und aufgrund der Barrierewirkung der überlagernden Schichten (Salz) keine Gefahr für Trinkwasser

• Fracking im „flachen Untergrund“ (ca. 1000 m) ist aus geowissenschaftlicher Sicht mit Trinkwasserschutz vereinbar, sofern

• gesetzliche Regelungen eingehalten werden,

• notwendige technische Maßnahmen getroffen sind und

• standortbezogene Voruntersuchungen durchgeführt wurden.

• Per Simulationsrechnungen können Rissgeometrien im tiefen Untergrund ermittelt werden

• Modelle lassen Aussagen bzgl. Annäherung an Aquifere oder an Trinkwasser-führende Horizonte zu

Fazit