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

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-angereichertem Salzwasser 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-angereichertes Salzwasser, diese Prozesse beeinflussen, ist noch nicht vollständig bekannt.

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 CO₂-angereichertes reaktives Salzwasser 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. 

In zwei Zyklen werden wir das mit CO₂ angereicherte Salzwasser 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-angereichertem Salzwasser zu einem aseismischen oder seismischen Versatz entlang der lokalen Störzone kommt.

Im Rahmen des Projekts planen wir pro Woche maximal ein paar Deziliter mit CO₂ angereichertes Salzwasser 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 des mit CO₂ angereicherten Salzwassers in den Observationsbohrlöchern registrieren und uns damit zeigen, wie es sich 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.

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).