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Hochauflösende seismo-thermo-hydromechanische Analyse der hydraulischen Stimulation: Modellentwicklung, Validierung und Anwendung

Enhanced Geothermal Systems (EGS) zielen darauf ab, die in der Erdkruste gespeicherte Wärme durch zirkulierende Flüssigkeiten zwischen Injektions- und Produktionsbohrlöchern zu extrahieren. Ideale Bedingungen finden sich typischerweise in Formationen in einer Tiefe von 2 bis 5 km, in denen die Durchflussrate für kommerzielle geothermische Anlagen nicht ausreicht und in denen die Temperaturen hoch sind (d. H. >> 100 ° C). Daher ist die Hochdruck-Flüssigkeitsinjektion, die als hydraulische Stimulation bekannt ist, eine allgemein angewandte Technik, um ein verbundenes Bruchnetzwerk zu erzeugen, das die Flüssigkeitszirkulation erleichtert. Die hydraulische Stimulation geht typischerweise mit einer induzierten Seismizität einher, die von der Öffentlichkeit wahrgenommen werden kann und sogar Schäden verursacht. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein grundlegendes Verständnis der induzierten Seismizität in gebrochenen Gesteinen zu vermitteln, das die Fähigkeit verbessert, das seismische Risiko vorherzusagen und zu kontrollieren. Dieses Projekt geht von der Hypothese aus, dass die Seismizität gemeinsam durch die Bruchnetzgeometrie und die aktivierten thermo-hydromechanischen (THM) Prozesse in geologischen Systemen gesteuert wird. Wir werden Discrete Fracture Networks (DFN) anwenden, um die strukturellen Diskontinuitäten darzustellen und die THM-Prozesse mit hoher Auflösung zu modellieren. Dieses Projekt verwendet die Datensätze aus kleinen (Dekameter-) Stimulationsexperimenten am Grimsel-Teststandort in der Schweiz und modernste numerische Modelle, um Folgendes zu erreichen: 1) Testen Sie die Wirksamkeit hochauflösender Modelle zur Erfassung der seismische, hydraulische und mechanische Prozesse, die mit kleinen Experimenten beobachtet wurden; 2) Verknüpfung der geometrischen Attribute eines Bruchnetzwerks (wie Intensität, Konnektivität, Länge und räumliche Verteilung) mit der räumlichen, zeitlichen und Größenverteilung der induzierten Seismizität; 3) ein neuartiges Prognosemodell für die maximal mögliche Größe vorschlagen und testen, das die gemeinsamen Auswirkungen von Multiphysikprozessen berücksichtigt, die unter standortspezifischen geologischen Bedingungen und Betriebsbedingungen dominieren; 4) Bewertung der Hochskalierung der hochauflösenden DFN-Modelle im kleinen Maßstab (Dekameter), um die Experimente im Reservoir-Maßstab (Kilometer) zu simulieren. Dieses Forschungsprojekt ist neu in der Behandlung der durch Injektion induzierten Seismizität durch hochauflösende physikbasierte Modelle und hochwertige Datensätze, die aus einzigartigen In-situ-Experimenten abgeleitet wurden. Die vorgeschlagene Forschung hat erhebliche Auswirkungen auf die Förderung der Übergangspolitik hin zu einer Versorgung mit erneuerbaren Energien und trägt dazu bei, unser Wissen über die Auslösemechanismen induzierter Erdbeben zu erweitern.

Ein Real-Labor für verbesserte Prognose- und Aktionsmöglichkeiten für multiple geomarine Extremereignisse, Leitantrag;' Vorhaben: Monitoring der Deformation im Hellenischen Bogen und des Kolumbo Vulkans'

Multiple-site seismic hazard assessment

The classical point wise Cornell-McGuire probabilistic seismic hazard assessment (PSHA), which is widely used for seismic hazard mapping and development of design codes, does not allow direct estimation of multiple-location hazard for distributed structures and facilities: what is the (annual) probability that specific level of ground motion will be exceeded simultaneously in several sites? It is possible to extent the classical methodology to the multiple sites problem considering also ground-motion correlation. We study multiple-location PSHA, as compared with the classical point wise PSHA, using Monte Carlo simulation. Specific items are:(1) Development of the algorithms for multiple-location PSHA;(2) Analysis of the role of the geometry of multiple sites, correlation of ground motion, and evel of seimicity for multiple-location PSHA;(3) Study of correspondence and differences between multiple-location PSHA and classical point wise PSHA and analysis of possibility of utilization of classical PSHA procedures for simplified multiple-location hazard assessment.The project is innovative because only few attempts have been made so far regarding our research questions.

Induzierte Seismiziät in Abhängigkeit von Lithologie, Struktur und Spannung

Im Verbundprojekt 'Restless' soll die Frage geklärt werden, ob und in wieweit das Risiko induzierter Seismizität von der Lithologie des erschlossenen geothermischen Reservoirs abhängt. Gesamtziel des Projekts ist es, mit einer Kombination von Gelände-, Labor- und numerischen Methoden die notwendigen Bedingungen zur Reaktivierung von Störungen und die resultierende Seismizität in Abhängigkeit von deren geometrischen und lithologischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Ziel dieses Teilprojekts ist es zu untersuchen, bei welchen definierten Druckveränderungen in einem geothermischen Reservoir es bei gegebenen regionalen Spannungsverhältnissen zu induzierter Seismizität kommen kann. Dies soll durch die Weiterentwicklung hauseigener Simulationscodes erfolgen. Die geplanten transienten THM-Simulationen sowohl die räumliche und zeitliche Verteilung der seismischen Ereignisse als auch deren Quellsignalcharakteristik liefern. Diese Informationen werden dann genutzt, um die vom Quellort (Hypozentrum) ausgehenden seismischen Wellen im dreidimensionalen Raum zu simulieren und die daraus resultierenden Bodenschwinggeschwindigkeiten abzuschätzen. Notwendige Eingangsdaten und Randbedingungen der Simulationen, z.B. zu Modellgeometrien und gesteinsphysikalischen Parametern, werden durch die Verbundpartner zur Verfügung gestellt und durch eigene H/V-Messungen im Gelände ergänzt. Die Simulation erfolgen zunächst an generischen Modellen zur Erlangung eines besseren Prozessverständnisses sowie zur Untersuchung des möglichen Effekts unterschiedlicher Lithologien auf die induzierte Seismizität. Anschließend werden Simulationen für zwei Beispielstandorte durchgeführt. Die Arbeiten werden ergänzt durch eine Literaturstudie, welche neben der Recherche zu gesteinsphysikalischen Eigenschaften insbesondere eine Aufarbeitung existierender Geothermiestandorte hinsichtlich ihrer durchteuften Lithologien und induzierter Seismizität beinhaltet.

Induzierte Seismiziät in Abhängigkeit von Lithologie, Struktur und Spannung, Teilvorhaben: Simulation induzierter Seismizität und Wellenfeldausbreitung

Im Verbundprojekt 'Restless' soll die Frage geklärt werden, ob und in wieweit das Risiko induzierter Seismizität von der Lithologie des erschlossenen geothermischen Reservoirs abhängt. Gesamtziel des Projekts ist es, mit einer Kombination von Gelände-, Labor- und numerischen Methoden die notwendigen Bedingungen zur Reaktivierung von Störungen und die resultierende Seismizität in Abhängigkeit von deren geometrischen und lithologischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Ziel dieses Teilprojekts ist es zu untersuchen, bei welchen definierten Druckveränderungen in einem geothermischen Reservoir es bei gegebenen regionalen Spannungsverhältnissen zu induzierter Seismizität kommen kann. Dies soll durch die Weiterentwicklung hauseigener Simulationscodes erfolgen. Die geplanten transienten THM-Simulationen sowohl die räumliche und zeitliche Verteilung der seismischen Ereignisse als auch deren Quellsignalcharakteristik liefern. Diese Informationen werden dann genutzt, um die vom Quellort (Hypozentrum) ausgehenden seismischen Wellen im dreidimensionalen Raum zu simulieren und die daraus resultierenden Bodenschwinggeschwindigkeiten abzuschätzen. Notwendige Eingangsdaten und Randbedingungen der Simulationen, z.B. zu Modellgeometrien und gesteinsphysikalischen Parametern, werden durch die Verbundpartner zur Verfügung gestellt und durch eigene H/V-Messungen im Gelände ergänzt. Die Simulation erfolgen zunächst an generischen Modellen zur Erlangung eines besseren Prozessverständnisses sowie zur Untersuchung des möglichen Effekts unterschiedlicher Lithologien auf die induzierte Seismizität. Anschließend werden Simulationen für zwei Beispielstandorte durchgeführt. Die Arbeiten werden ergänzt durch eine Literaturstudie, welche neben der Recherche zu gesteinsphysikalischen Eigenschaften insbesondere eine Aufarbeitung existierender Geothermiestandorte hinsichtlich ihrer durchteuften Lithologien und induzierter Seismizität beinhaltet.

Bewertung der seismischen Gefährdung in der Niederrheinischen Bucht zur Nutzung von Tiefengeothermie

Sichere und grundlastfähige erneuerbare Energiequellen sind essentiell für das Erreichen globaler Klimaziele. Die Tiefengeothermie kann Wärme und Strom unabhängig von Wetterbedingungen liefern und spielt eine Schlüsselrolle bei dem Vorantreiben der grünen Energiewende. Mit unserem Vorhaben gehen wie die Hauptfaktoren, die ein schnelleres Wachstum des Geothermiesektors verzögern, an: lange Amortisationszeiten und hohe sozio-ökonomische Risiken im Zusammenhang mit induzierter Seismizität. Hauptrisiken der Tiefengeothermie sind hohe Unsicherheiten über die Existenz, Lage und Orientierung geologischer Strukturen im Untergrund und die daraus resultierende hohe Unsicherheit über das Potential seismische Ereignisse zu induzieren. In diesem Teilvorhaben wollen wir in beiden Aspekten Fortschritte machen, in dem wir dynamische seismologische Modelle des Untergrunds erarbeiten. Aus der Kombination der innovativen seismischer Verfahren der Migration und Interferometrie werden wir dynamische Modelle erarbeiten. Diese Modelle verdeutlichen die seismische Reaktion des Untergrundes auf temporäre Veränderungen von Spannungen. Dazu werden Herdflächenlösungen mit Änderungen von seismischen Geschwindigkeiten korreliert. Ziel ist das Abschätzen von Schwellenwerten für Spannungsänderungen, die lokale Seismizität auslösen können. Die Interpretation dieser lokalen Änderungen in Hinblick auf eine geothermische Nutzung des Untergrunds hilft der Standortauswahl und somit der Reduzierung der seismischen Gefährdung. Wir werden einen neuen Arbeitsablauf entwickeln, um die seismische Gefährdung durch Tiefengeothermie in der Niederrheinischen Bucht abzuschätzen. Dieser Arbeitsablauf wird einen räumlich aufgelösten Erdbebengefährdungsindex beinhalten, der auf intuitive Weise die seismische Gefährdung der Region kommuniziert.

Bewertung der seismischen Gefährdung in der Niederrheinischen Bucht zur Nutzung von Tiefengeothermie, Teilvorhaben: Seismologische Spannungsanalyse

Sichere und grundlastfähige erneuerbare Energiequellen sind essentiell für das Erreichen globaler Klimaziele. Die Tiefengeothermie kann Wärme und Strom unabhängig von Wetterbedingungen liefern und spielt eine Schlüsselrolle bei dem Vorantreiben der grünen Energiewende. Mit unserem Vorhaben gehen wie die Hauptfaktoren, die ein schnelleres Wachstum des Geothermiesektors verzögern, an: lange Amortisationszeiten und hohe sozio-ökonomische Risiken im Zusammenhang mit induzierter Seismizität. Hauptrisiken der Tiefengeothermie sind hohe Unsicherheiten über die Existenz, Lage und Orientierung geologischer Strukturen im Untergrund und die daraus resultierende hohe Unsicherheit über das Potential seismische Ereignisse zu induzieren. In diesem Teilvorhaben wollen wir in beiden Aspekten Fortschritte machen, in dem wir dynamische seismologische Modelle des Untergrunds erarbeiten. Aus der Kombination der innovativen seismischer Verfahren der Migration und Interferometrie werden wir dynamische Modelle erarbeiten. Diese Modelle verdeutlichen die seismische Reaktion des Untergrundes auf temporäre Veränderungen von Spannungen. Dazu werden Herdflächenlösungen mit Änderungen von seismischen Geschwindigkeiten korreliert. Ziel ist das Abschätzen von Schwellenwerten für Spannungsänderungen, die lokale Seismizität auslösen können. Die Interpretation dieser lokalen Änderungen in Hinblick auf eine geothermische Nutzung des Untergrunds hilft der Standortauswahl und somit der Reduzierung der seismischen Gefährdung. Wir werden einen neuen Arbeitsablauf entwickeln, um die seismische Gefährdung durch Tiefengeothermie in der Niederrheinischen Bucht abzuschätzen. Dieser Arbeitsablauf wird einen räumlich aufgelösten Erdbebengefährdungsindex beinhalten, der auf intuitive Weise die seismische Gefährdung der Region kommuniziert.

Induzierte Seismiziät in Abhängigkeit von Lithologie, Struktur und Spannung, Teilvorhaben: Petrophysikalische Messungen und Permeabilität von Störungszonen

Im Verbundprojekt 'Restless' soll die Frage geklärt werden, ob und in wieweit das Risiko induzierter Seismizität von der Lithologie des erschlossenen geothermischen Reservoirs abhängt. Gesamtziel des Projekts ist es, mit einer Kombination von Gelände-, Labor- und numerischen Methoden die notwendigen Bedingungen zur Reaktivierung von Störungen und die resultierende Seismizität in Abhängigkeit von deren geometrischen und lithologischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Das Teilvorhaben untersucht die hydraulischen Eigenschaften des Kluftnetzwerkes im Nahbereich von Störungszonen im Granit. Im GranitLab des GZN können die hydraulischen, petrophysikalischen und geomechanischen Eigenschaften von spröden Störungszonen in Graniten untersucht werden. Das Granitlab verfügt über 15 hydraulisch und bohrlochgeophysikalisch untersuchte Bohrungen mit einer Tiefe von ca. 25 m. Diese sollen im Zuge von RESTLESS durch drei Schrägbohrungen mit einer Tiefe von 100 m erweitert werden. Die Kernbohrungen werden bohrlochgeophysikalisch vermessen. Produktions- und Injektionsversuche dienen der Bestimmung der Permeabilität des Kluftnetzwerkes, des Rissöffnungsdruckes und der Richtung der minimalen Hauptspannung. Geometrie und Vernetzung des Kluftnetzwerkes werden mit Bohrlochradar und Bohrlochtomographie bestimmt. Hierzu sind wiederholte Messungen vorgesehen, u.a. auch vor und nach der Injektion eines Salzwassertracers, der dazu dient, die Fließwege und -geschwindigkeiten im Kluftnetz nachvollziehen zu können. Die analytischen Auswertungen der Messdaten sollen zu einem besseren Verständnis Fließbedingungen, der Druckausbreitung und den hydraulisch relevanten Reservoirbedingungen führen. Daneben werden im Labor Gesteinsproben aus Analogaufschlüssen petrophysikalisch untersucht, um mit den Messergebnissen die Modellierungen zu parametrisieren. Darüber hinaus werden mit XRD-Analyse der Tonmineralgehalt und die Art der Tonminerale ermittelt.

Modellierung und Analyse von Erdbebenschwärmen

Seismizität kann regional und zeitlich in stark unterschiedlicher, komplexer Weise auftreten. Die dafür verantwortlichen Mechanismen und strukturellen Bedingungen sind zum großen Teil noch unbekannt. Insbesondere gilt dies für Erdbebenschwärme, über die in diesem Projekt durch vergleichende Analysen realer und modellierter Seismizitätsdaten neue Erkenntnisse gewonnen werden sollen. Die Modellbildung soll dabei auf dem kürzlich entwickelten Model von Hainzl et al. (1999a) basieren, welches sich zur Beschreibung typischer tektonischer Seismizitätsmuster bewährt hat. Im Rahmen dieses Projektes sollen die Bedingungen für episodisch auftretende Erdbebenschwärme erforscht werden. Alternativ zu diesen selbstorganisiert kritischen Modellsystemen soll auch die Hypothese einer regionalen Porendruckerhöhung als Ursache von Erdbebenschwärmen anhand numerischer Experimente untersucht werden. Parallel dazu ist die Analyse realer Daten vorgesehen. Spezielles Interesse gilt dabei den Erdbebenschwärmen aus der Vogtland-Region, aber auch Schwärmen aus anderen Regionen und induzierter Seismizität. Mit Hilfe neuer Analysemethoden der nichtlinearen Dynamik sollen sowohl die verschiedenen Modellannahmen verifiziert bzw. falsifiziert werden, als auch allgemein gültige und regional spezifische Gesetzmäßigkeiten extrahiert werden. Letztere sollen mit Hilfe von weiterentwickelten, an regionale Bedingungen angepassten Modellsystemen verstanden werden.

Bewertung der seismischen Gefährdung in der Niederrheinischen Bucht zur Nutzung von Tiefengeothermie, Teilvorhaben: Gegenwärtiger Krustenspannungszustand und Störungsstabilität in der Niederrheinischen Bucht

Sichere und grundlastfähige erneuerbare Energiequellen sind essentiell für das Erreichen globaler Klimaziele. Die Tiefengeothermie kann Wärme und Strom unabhängig von Wetterbedingungen liefern und spielt eine Schlüsselrolle bei dem Vorantreiben der grünen Energiewende. Mit unserem Vorhaben gehen wir die Hauptfaktoren, die ein schnelleres Wachstum des Geothermiesektors verzögern, an: lange Amortisationszeiten und hohe sozioökonomische Risiken im Zusammenhang mit induzierter Seismizität. SIEGFRIED zielt darauf ab, neue Standards für die geothermische Exploration in der Niederrheinischen Bucht und darüber hinaus einzuführen sowie neue Methoden und Arbeitsabläufe zu schaffen, um große Mengen an interdisziplinären und maßstabsübergreifenden Daten in Studien zur seismischen Gefährdung zu kombinieren. Es ist der erste Versuch dieser Art, geomechanische und seismologische Ansätze zu kombinieren, um ein gemeinsames Bild der seismischen Gefährdung zu erstellen und so darzustellen, dass die Energiebetreiber es für die Planung, den Aufbau und später den Betrieb tiefer geothermischer Systeme in der Niederrheinischen Bucht nutzen können. SIEGFRIED wird zum ersten Mal die direkte Messung des Spannungstensors in den Tiefen eines tiefen geothermischen Reservoirs in der Niederrheinischen Bucht ermöglichen. Diese Informationen werden die Kalibrierung von physikalisch informierten numerischen Modellen der Krustenspannung und ihrer anthropogenen Veränderungen in situ ermöglichen sowie die seismische Gefährdungsabschätzung unterstützen. Letztendlich besteht die Hauptaufgabe der RWTH innerhalb von SIEGFRIED darin, den Zustand der initialen Spannung, die Stabilität der Hauptstörungszonen und die anthropogenen Spannungsänderungen zu verstehen, die während der geothermischen Produktion in der Niederrheinischen Bucht entstehen.

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