Szenarien zur Ausbreitung von Fracking-Flüssigkeit und Methan

Konzept und Ergebnisse – Modellszenarien

Martin Sauter, Rainer Helmig und Alexander Kissinger

Szenarien zur Ausbreitung von Fracking-Flüssigkeit und Methan

Migration

Münster, 24. Februar 2012



•  Ausbreitung der Fracking Flüssigkeit (Szenario 1 & 2) •  Methanmigration (Szenario 3)

Szenario 3 Szenario 1

Szenario 2



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



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)



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



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)



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



Szenario 1 (3) Aufbau: Draufsicht gesamtes Modellgebiet:

x

y

Störungszone Eindringfläche Fracking Fluid

1000m

1000m

Draufsicht simuliertes Gebiet



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



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



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



Szenario 2 (1) Aufbau: •  Großskaliges Modellgebiet (100km Länge) •  Modellgebiet basiert auf 2d Schnitt durch

das Münsterländer Kreidebecken (→ s. 2D Schnitt IHS)

Hydraulischer Gradient Störungszone



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



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)



Szenario 2 (5) Überhöhter hydrogeologischer Schnitt des Münsterländer Beckens

Wirkliche Form des hydrogeologischen Schnitts



Szenario 2 (6)

1800m

1350m

Permeabilitäten des Hydrogeologischen Schnitts

Störungszone



-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



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



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




• Beim Fracking Prozess wird Methan mobilisiert • Simuliert wird der Worst Case:

Methan breitet sich außerhalb der gasführenden Schicht aus

Methan und Formationswasser



•  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



Szenario 3 (5) Aufbau: Draufsicht gesamtes Modellgebiet:

x

y

Störungszone Eindringfläche Methan

1000m

1000m

Draufsicht simuliertes Gebiet


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




Betrachtete Settings für die Modellierung Settings Niedersachsen: •  Vechta •  Damme •  Quakenbrück-Ortland •  Lünne



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



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



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



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

Szenarien zur Ausbreitung von Fracking-Flüssigkeit und Methan

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