Westerhaus, Malte: DGMK-Projekt 776: Reservoir-Management and Seismicity - Strategies to reduce induced seismicity

Förderung: DGMK

Laufzeit:  01.01.2015 – 30.09.2017

Koordination: Frank Schilling (AGW), Birgit Müller (AGW)

Mitantragsteller, Leiter Teilprojekt Deformationsmessungen (WP3)

Von vielen Fördergebieten in sedimentären Strukturen ist bekannt, dass die Produktion von Kohlenwasserstoffen zu Deformationen, Senkungserscheinungen und induzierten Erdbeben führen kann. Das Geodätische Institut war von 2014 – 2017 in Kooperation mit dem Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT, des Instituts für Geowissenschaften und Geographie der Universität Halle, des Ingenieurbüros Piewak & Partner, Bayreuth, sowie verschiedenen erdöl- und erdgasexplorierenden Firmen Teil des interdisziplinären Projektes „Reservoir-Management & Seismicity“ (RMS), in dessen Rahmen der Zusammenhang zwischen geotechnischen Eingriffen in den Untergrund und potentiellen Schadensereignissen weiter untersucht wurde. Ansatzpunkt des von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle (DGMK) geförderten Projektes war es, über die experimentelle Bestimmung petrophysikalischer Eigenschaften des Reservoirgesteins eine Verbindung zwischen druckabhängigen Spannungsänderungen im Untergrund und Oberflächenbewegungen sowie Seismizität herzustellen. Mit diesen interdisziplinären Untersuchungen sollte das Verständnis der Prozesse, die zur Freisetzung seismischer Energie während der Produktion führen, erhöht und eine wissenschaftlich begründete Basis für den kontrollierten Betrieb einer Lagerstätte erarbeitet werden.

Aufgabe des GIK war die quantitative Bestimmung des Verschiebungsfeldes an der Erdoberfläche. Zu diesem Zweck wurden insgesamt 231 C-Band Radarszenen der Satelliten ERS1/2 und Envisat mit den Methoden der Persistent Scatterer Analyse (PSI) und der Small Baseline Subsets (SBAS) prozessiert und analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine geringe, aber signifikante Absenkung von 1 mm/Jahr – 2 mm/Jahr über verschiedenen Gasfeldern zwischen Hannover und Bremen mit maximalen Raten von bis zu 3 mm/Jahr im nördlichen Bereich des Gasfeldes Söhlingen. Die Standardabweichungen liegen im Mittel bei 0.26 mm/Jahr. Eine Auswertung von Wiederholungsnivellements der Landesvermessung auf einer durch das Untersuchungsgebiet führenden Linie 1. Ordnung bestätigt die Befunde der SAR-Interferometrie. Ein Einfluss von Schwankungen im Grundwasserstand konnte durch Vergleich mit Zeitreihen des Wasserstandes in benachbarten Brunnen ausgeschlossen werden.

Die interferometrisch bestimmte Absenkungsgeschwindigkeit korreliert mit der Gasproduktionsrate sowie dem Druckverlauf im Reservoir Söhlingen. Es gibt Hinweise darauf, dass transiente Variationen im Druckverlauf zu zeitlich verzögerten, nicht-linearen Verschiebungen an der Erdoberfläche führen. Die Datenlage reichte jedoch nicht aus, um petrophysikalische oder poro-elastische Eigenschaften des Reservoirs quantitativ zu bestimmen. Nicht-Symmetrien in den Profilen durch den Absenkungstrichter  könnten auf den Einfluss einer geologischen Störung in der Lagerstätte Söhlingen hindeuten.

Mit Hilfe der SAR-Interferometrie konnte somit nachgewiesen werden, dass auch in den Gasfeldern nördlich von Hannover geodätische beobachtbare Kompaktion der ausgebeuteten Schichten im Untergrund auftritt. Im Gegensatz zu anderen Fördergebieten war dies nicht von vornherein zu erwarten, da die gasführenden Schichten im Feld Nordhannover durch Salzstöcke überlagert werden, deren Plastizität einen dämpfenden Einfluss ausüben kann. Die Fallstudie Söhlingen zeigt verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der SAR-Interferometrie für die Produktionsfirmen auf. Zum einen liefern die beobachteten Absenkungsgeschwindigkeiten wichtige Randbedingungen für die Abschätzung des Gefährdungspotentials von Infrastruktur und Gebäuden an der Oberfläche. Andererseits erlauben räumliche Unterschiede im Verhältnis zwischen Oberflächenverschiebung und Druckänderung prinzipiell Rückschlüsse auf die poro-elastischen Eigenschaften verschiedener Schichten und Kompartimente des Reservoirs, die sich für einen effektiven Produktionsbetrieb nutzen lassen.