Das Mont-Terri-Experiment: eine Studie zur Durchlässigkeit von Deckgesteinen und hydraulischen Störzonen

Das Mont-Terri-Experiment: eine Studie zur Durchlässigkeit von Deckgesteinen und hydraulischen Störzonen

August 2018 - von Alba Zappone, Michèle Marti & dem SCCER-SoE-Team

CO2 im Untergrund zu speichern erscheint als verlockende Option, um Emissionen zu reduzieren. Jedoch nur unter der Bedingung, dass das CO2 während mehrerer Jahrzehnte gespeichert bleibt und nicht entweicht. Im Rahmen des ELEGANCY-Projektes werden wir experimentell untersuchen, wie gut Felsformationen mit Störzonen CO2 zurückhalten können.

Lässt sich CO2 trotz Störzonen in der Deckschicht sicher im Untergrund speichern?

Im Untergrund gespeichertes CO2 kann auf zwei Arten aus einem Reservoir entweichen:

  • Erstens durch das Bohrloch, durch welches das CO2 in den Untergrund verpresst wurde.
  • Zweitens durch natürliche Störzonen im Deckgestein, welche das im Reservoir abgelagerte CO2 abdichten soll.

In unserem Experiment fokussieren wir auf diese Störzonen. Diese können nicht nur die Langzeitspeicherung von CO2 beeinflussen, sondern auch das Auftreten von Mikroseismizität. Bestehende Störzonen im Deckgestein wirken sich somit auf die Sicherheits- und Risikoanalyse, die Überwachung und Verifizierung sowie das Risikomanagement aus.

Wie CO2 entweicht, ist nicht vollständig verstanden

Derzeit sind die physikalischen Prozesse, welche das Entweichen von CO2 durch Störzonen bestimmen, noch nicht komplett verstanden. Daraus ergeben sich herausfordernde Forschungsfragen, die sich damit befassen, wie sich Störzonen verhalten, wenn sie mit CO2-reichen Flüssigkeiten in Kontakt kommen.

Numerische Simulationen des CO2-Austritts entlang von Störzonen haben in den vergangenen Jahren grosse Fortschritte gemacht. Jedoch fehlen nach wie vor CO2-spezifische Daten aus experimentellen Beobachtungen, insbesondere in Bezug auf die Wechselwirkung zwischen geomechanischen und geochemischen Prozessen.

Die Kluftausbreitung kann ein komplexer Vorgang sein, bei dem thermische, chemische und mechanische Prozesse zusammenspielen (siehe Abbildung 1). Ein Beispiel ist der Anstieg der Temperatur aufgrund der Haft- und Gleitreibung in einer Störzone. Dadurch ändern sich die lokalen Druckverhältnisse, welche ihrerseits die Geschwindigkeit der Wechselwirkung zwischen dem Gestein und den darin enthaltenen Flüssigkeiten beeinflussen. Der Zerfall von primären Mineralien sowie das Ausscheiden von sekundären Mineralien wirkt sich auf die Porosität des Gesteins und damit auf dessen Durchlässigkeit aus. Dadurch verändert sich das Strömungsverhalten der Flüssigkeit. Wie genau reaktive Flüssigkeiten, wie zum Beispiel CO2-angereicherte Salzlauge, diese Prozesse beeinflussen, ist noch nicht vollständig bekannt.

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Abbildung 1: Kopplung von Kluftwachstum mit mechanischen, chemischen und thermischen Prozessen. Diese Mechanismen haben eine Rückwirkungsbeziehung, bei der die einzelnen Prozesse voneinander abhängig sind (Mit freundlicher Genehmigung von Prof. M. Violay).

Experimente im Fels

Im Rahmen des ELEGANCY-Projekts haben wir die Möglichkeit, die Auswirkungen von CO2-Injektionen in Störzonen und deren Strömungswege direkt im Fels zu beobachten.

Im Vordergrund steht, die Stabilität von geklüftetem Tongestein zu untersuchen und der Frage nachzugehen, wie Scherverschiebungen, Porendruck, Fliesswege und Mikroseismizität, sofern vorhanden, zusammenspielen. Tongestein ist aufgrund seiner abdichtenden Eigenschaften ein bevorzugtes Deckgestein für die CO2-Speicherung.

Neben numerischen Modellierungen beruht das Experiment auf Stimulationen in kleinem Massstab (cm), die im Felslabor im Mont Terri durchgeführt werden. Zum ersten Mal wird mit CO2 angereicherte, reaktive Flüssigkeit vor Ort injiziert und überwacht. Zu diesem Zweck wird ein Injektionsbohrloch erstellt, das durch eine Hauptstörzone verläuft. Parallel dazu werden Überwachungsbohrlöcher angelegt (Abbildung 2). Diese Versuchsanordnung ist einzigartig: Sie erlaubt es uns, die Komplexität der zuvor beschriebenen, gekoppelten Prozesse vor Ort mit Hilfe von hochauflösenden Messmethoden zu beobachten und mittels Modellierung verschiedene Skalen zu verbinden. 

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Abbildung 2: Der Mont-Terri-Labortunnel und die Nische, in der sich das ELEGANCY-Experiment und die Bohrlöcher für Injektion und Überwachung befinden (Mit freundlicher Genehmigung von Dr. M. Grab).

In zwei Zyklen werden wir die mit CO2 angereicherte Salzlauge gemeinsam mit zwei Tracern injizieren. Dies mit Drücken, die unter dem Minimaldruck von 32 bar liegen, der notwendig wäre, um Klüfte zu öffnen. Die über einen Zeitraum von acht Monaten laufenden Injektionen werden im einen Zyklus ins Zentrum der Hauptstörung geleitet und im anderen Zyklus in die dem Störungszentrum angrenzende Bruchzone.

Zu Beginn werden wir mehrere, pulsartige Injektionen mit Drücken bis zum Kluftöffnungsdruck (40 bar) vornehmen, um das Verhalten der Störzone zu testen. Dieses Verfahren werden wir am Ende der acht Monate wiederholen, um die Ergebnisse zu vergleichen. Besonders interessiert uns, ob es aufgrund des langen Einsatzes von CO2-haltiger Salzlauge zu einem aseismischen oder seismischen Versatz entlang der lokalen Störzone kommt.

Im Rahmen des Projekts planen wir pro Woche maximal ein paar Deziliter Salzlauge zu injizieren. Zum Vergleich: Das kommerzielle CO2-Speicherungsprojekt Sleipner in der Nordsee injiziert etwa 0.85 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr. Seit Beginn des Sleipner-Projektes wurden über 17 Millionen Tonnen verpresst. In einem weiteren Projekt plant Chevron Australien zwischen 3.4 und 4 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr zu injizieren.

Überwachung des Experiments

Das in sechs Bohrlöchern rund um das Injektionsbohrloch angebrachte Überwachungssystem verbindet verschiedene Techniken, um das Experiment zu überwachen. Dazu gehören sowohl aktive als auch passive seismische Sensoren, die unterschiedliche Wellengeschwindigkeiten im Zuge der Injektionen erfassen und möglicherweise davon ausgelöste Mikroerdbeben registrieren.

Hinzu kommen Dehnungssensoren, die bereits kleinste Verschiebungen aufzeichnen, sollte es zu einer Aktivierung der Störzone kommen. Elektrische Konduktivitäts- und pH-Sensoren werden die Ankunft der Flüssigkeit in den Observationsbohrlöchern registrieren und uns damit zeigen, wie sich die Flüssigkeit ausbreitet und bewegt.

Zusätzlich werden wir vor und nach dem Experiment Gesteinsproben entnehmen. Diese erlauben es, gesteinsphysikalische und geomechanische Untersuchungen durchzuführen und zu untersuchen, inwiefern sich die Störzone geomechanisch verändert. Während des Experiments werden wir durchgehend Flüssigkeitsproben entnehmen, um die geochemischen Veränderung aufgrund des Zusammenspiels zwischen Gestein und Flüssigkeit zu untersuchen. Die Überwachung vor Ort wird bereits zwei Monate vor Injektionsstart beginnen und erst vier Monate nach der letzten Injektion abgeschlossen.

Mit kleiner Skala zu einem besseren Verständnis

Im Vergleich zu realen, grossangelegten CO2-Speicherungsprojekten untersuchen wir im Rahmen unseres Experiments den möglichen Austritt von CO2 auf einer sehr kleinen Skala. Nichtsdestotrotz werden die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen, die relevanten Prozesse besser zu verstehen, die zum Austritt von CO2 durch Störzonen beitragen. Damit leistet das Experiment auch einen Beitrag für eine verbesserte Standortcharakterisierung.

Neun Professuren von fünf Forschungseinrichtungen in der Schweiz, die alle Teil des Swiss Competence Center for Energy Research - Supply of Electricity sind, führen das Experiment gemeinsam durch.

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Abbildung 3: Zeitplan und Druckkurve in den Injektionszyklen während der achtmonatigen Injektion; FOP=Kluftöffnungsdruck, Fpmin=Minimaldruck für Kluftöffnung (Mit freundlicher Genehmigung von Dr. A. Rinaldi).

Autorinnen

Autorinnen

Dr. Alba Zappone ist Wissenschaftlerin am Schweizerischen Erdbebendienst und am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der ETH Zürich. Ihre Forschungstätigkeit konzentriert sich auf die experimentelle Charakterisierung von physikalischen Parametern von Gesteinen.

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Michèle Marti ist die Verantwortliche für die Medien- und Öffentlichkeitsarbeit des Schweizerischen Erdbebendienstes sowie nationaler und internationaler Forschungsprojekte.