GoEffective– Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress: GFZ

GoEffective– Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress

Laufzeit: 2023-2026

Zuwendungsgeber: BMWK

Projektverantwortliche: Oliver Heidbach und Steffi Lammers

Projektpartner: Michael Drews, Florian Duschl (TU München) Birgit Müller (KIT), Rene Kahnt (G.E.O.S), Mojtaba Rajabi (Univ. Brisbane)

Die tiefe Geothermie in Deutschland hat das Potential ein entscheidender Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele zu sein – insbesondere bei der Wärmewende. Hierzu müssen jedoch die Risiken bezüglich der notwendigen Tiefbohrungen, Fündigkeit und Produktion weiter reduziert werden. Dabei ist die mechanische Integrität des Untergrundes entscheidend, beeinflusst sie doch maßgeblich die Reservoirqualität, die Bohrlochstabilität und das Auftreten induzierter Seismizität. Die mechanische Integrität des Untergrundes ergibt sich neben den geomechanischen Gesteinseigenschaften aus der Differenz zwischen minimalen Hauptspannungsmagnitude und dem Porendruck, der minimalen Effektivspannung. Das Projekt zielt darauf ab, die Risiken und Kosten tiefengeothermischer Projekte in Deutschland zu verringern, indem erstmals Porendruck und somit minimale Effektivspannungen im Rahmen der World Stress Map zur Verfügung gestellt werden.

Speziell für die Bohrplanung sind Porendruck und minimale Effektivspannung von zentraler Bedeutung, da sie das optimale Spülungsgewicht, die Rohrabsetzteufen und die Bohrlochstabilität definieren. In einem weiteren Schritt soll daher die neue Datenbank genutzt werden, um das Bohrrisikomanagement-Toolkit EFFECT zu entwickeln. Das Toolkit soll es ermöglichen unter Eingabe des Bohrstandorts und Bohrpfads automatisiert eine Vorhersage der minimalen Effektivspannung und Bohrlochstabilität zur Verfügung zu stellen. Das Toolkit wird von einem Industriepartner hinsichtlich seiner Eignung sowie der Sensitivitäten an realen Daten validiert und bzgl. seiner Handhabbarkeit optimiert. Die Verfügbarkeit einer Datenbank zu Porendruck und Effektivspannungen sowie die Bereitstellung eines Toolkits, dass eine qualitativ hochwertige und standardisierte Vorhersage dieser Parameter erlaubt, wäre weltweit einzigartig und verschafft der Tiefen Geothermie in Deutschland sowohl sozioökonomische als auch sicherheitsrelevante Vorteile.

GoEffective — Zusammenhang zwischen Spannung, Porendruck, Effektivspannung und Bohrlochstabilität. A: Druck und Spannung als Funktion der Tiefe in einem Abschiebungsmilieu. Sv = Vertikalspannung, FG = Fracture Gradient, bzw. minimale Hauptspannung, SFG = Shear Failure Gradient, der die Entstehung von Bohrlochausbrüchen bedingt, σmin‘ = minimale Effektivspannung, OP = Overpressure (Porenüberdruck), Hyd = hydrostatischer Porendruck. B: Wie A, jedoch sind Spannungen und Porendruck als äquivalentes Spülungsgewicht dargestellt. C: Bohrlochstabilität in Abhängigkeit des Spülungsgewichts, der Spannungen und des Porendrucks. Bei zu niedrigem Spülungsgewicht können Zuflüsse, Bohrlochkollaps oder -ausbrüche die Folge sein. Ein zu hohes Spülungsgewicht kann Spülungsverluste erzeugen. *(Drews et al. (2022))*

Referenzen:

Altmann, J. B., T. M. Müller, B. I. R. Müller, M. R. P. Tingay, and O. Heidbach (2010), Poroelastic contribution to the reservoir stress path, Int. J. Rock. Mech. & Min. Sci., 47, 1104-1113. http://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2012.08.001

Drews, M.C., Bauer, W., Caracciolo, L., Stollhofen, H., 2018. Disequilibrium compaction overpressure in shales of the Bavarian Foreland Molasse Basin: results and geographical distribution from velocity-based analyses. Marine and Petroleum Geology 92, 37–50. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2018.02.017

Drews, M.C., Hofstettter, P., Zosseder, K., Shipilin, V., Stollhofen, H., 2020. Predictability and mechanisms of overpressure in the Bavarian Foreland Molasse Basin: an integrated analysis of the Geretsried GEN-1 Deep Geothermal Well. Geotherm. Energy 8, 20. https://doi.org/10.1186/s40517-020-00175-8

Drews, M.C., Seithel, R., Savvatis, A., Kohl, T., Stollhofen, H., 2019. A normal-faulting stress regime in the Bavarian Foreland Molasse Basin? New evidence from detailed analysis of leak-off and formation integrity tests in the greater Munich area, SE-Germany. Tectonophysics 755, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.02.011

Drews, M.C., Shatyrbayeva, I., Bohnsack, D., Duschl, F., Obermeier, P., Loewer, M., Flechtner, F., Keim, M., 2022. The role of pore pressure and its prediction in deep geothermal energy drilling – examples from the North Alpine Foreland Basin, SE Germany. Petroleum Geoscience 28. https://doi.org/10.1144/petgeo2021-060

Heidbach, O., Rajabi, M., Cui, X., Fuchs, K., Müller, B., Reinecker, J., Reiter, K., Tingay, M., Wenzel, F., Xie, F., Ziegler, M.O., Zoback, M.L., Zoback, M., 2018. The World Stress Map database release 2016: crustal stress pattern across scales. Tectonophysics 744, 484–498. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.07.007

Müller, B., F. Schilling, T. Röckel, and O. Heidbach (2018), Induced Seismicity in Reservoirs: Stress Makes the Difference, Erdöl Erdgas Kohle, 134(1), 33-37. https://doi.org/10.19225/180106

Reinecker, J., Tingay, M., Müller, B., Heidbach, O., 2010. Present-day stress orientation in the Molasse Basin. Tectonophysics 482, 129–138. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.07.021

Reiter, K., O. Heidbach, J. Reinecker, B. Müller, and T. Röckl (2015), Spannungskarte Deutschland 2015, Erdöl Erdgas Kohle, 131(11), 437-442.

Seithel, R., Steiner, U., Müller, B., Hecht, C., Kohl, T., 2015. Local stress anomaly in the Bavarian Molasse Basin. Geotherm. Energy 3. https://doi.org/10.1186/s40517-014-0023-z

Ziegler, M. O., Heidbach, O., 2020. The 3D stress state from geomechanical–numerical modelling and its uncertainties: a case study in the Bavarian Molasse Basin. Geothermal Energy, 8(1). https://doi.org/10.1186/s40517-020-00162-z