Ausgehend von der Veränderung des Wasserdrucks im Gestein (Porendruck) und den mechanischen Spannungen im Gestein, modellierten die Forscher die Änderungen des Spannungsfelds durch Verpressen und Entnehmen von Fluiden, also von Gasen oder Flüssigkeiten. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Erdöl Erdgas Kohle. (DOI: 10.19225/180106).

Induzierte Seismizität
Das Verpressen von Flüssigkeiten in den Untergrund, beispielsweise in Geothermieanlagen, bei der Injektion von Abwässern oder zur geologischen Speicherung von Kohlendioxid, kann zu spürbaren Erschütterungen der Erde führen, ebenso wie das Entnehmen von Fluiden, wie bei der Erdgasförderung. Diese von menschlichen Aktivitäten verursachten Erschütterungen (induzierte Seismizität) basieren auf grundlegenden mechanischen Prinzipien: Sowohl Verpressung als auch Förderung verändern den Porendruck – das ist der Wasserdruck im Gestein – und damit auch den Spannungszustand im Gestein. Dadurch können natürlich vorhandene Bruchflächen im Untergrund gegeneinander versetzt werden, ähnlich einem kleinen natürlichen Erdbeben.

Empfehlungen für das Positionieren von Bohrungen
Ausgehend von dieser poro-elastischen Kopplung von Porendruck und Spannung, haben Birgit Müller und Professor Frank Schilling vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT und vom am KIT angesiedelten Landesforschungszentrum Geothermie nun die durch Injektion und Förderung induzierte Seismizität untersucht. Das Projekt wurde gemeinsam mit Forschern vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam und vom Ingenieurbüro Piewak & Partner in Bayreuth durchgeführt. „Für unterschiedlich orientierte Störungen im Untergrund, wie Bruchflächen im Untergrund, lässt sich berechnen, ob durch die geotechnische Aktivität auf diesen Flächen induzierte Seismizität zu erwarten ist. Dies erlaubt es, Empfehlungen für das Positionieren von Bohrungen und den Förderbetrieb abzuleiten, um das Risiko induzierter Seismizität zu reduzieren“, fasst Birgit Müller die Ergebnisse zusammen, die in der Fachzeitschrift Erdöl Erdgas Kohle veröffentlicht sind.

Besonders relevant sind diese Erkenntnisse für hydrothermale Systeme der tiefen Geothermie, die Wärme aus Thermalwasser gewinnen, das in einem unterirdischen Reservoir zirkuliert. Dabei wird das Wasser an einer Stelle gefördert und nach dem Abkühlen an einer anderen Stelle wieder injiziert. „Die Ergebnisse unserer Modellierungen zeigen, dass sich Wahrscheinlichkeit und Ausmass induzierter Seismizität bei hydrothermalen Geothermiesystemen nicht nur durch ein aktives Porendruckmanagement im Reservoir, sondern auch durch ein optimales Positionieren der Bohrungen relativ zur Orientierung der tektonischen Spannungen erheblich reduzieren lassen“, erklärt Birgit Müller.

B. Müller, F. Schilling, Th. Röckel and O. Heidbach: Induced Seismicity in Reservoirs: Stress Makes the Difference. Erdöl Erdgas Kohle, Heft 1/2018. DOI: 10.19225/180106

Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)