AP 2.3

Modellentwicklung zur Simulation von Leckagen in oberflächennahen Grundwasserleitern und zum seismischen Monitoring von tiefen Speichern und Leckagen

 

Bei Leckagen von Speichergasen aus tiefliegenden Kavernen- oder Porenspeichern ist mit einer Induktion geochemischer Reaktionen im oberflächennahen Untergrund zu rechnen. Diese sind vor allem entlang der Leckagepfade sowie im Nahbereich des Eintritts in geochemisch reagierende Schichten zu erwarten. Um zu einer detaillierten und gleichzeitig effizienten Abbildung der Prozesse sowie insbesondere der geochemischen Reaktionen zu kommen, soll in AP 2.3 für den THMC Code OpenGeoSys (OGS) eine lokale a-priori Gitterverfeinerung mit Behandlung von irregulären Knoten zur Simulation klein-skaliger Prozesse in großen Gebieten implementiert werden. Weiterhin sollen Methoden des geochemischen Front-Tracking bzw. des geochemischen Steady-State zur effizienten Berechnung geochemischer Reaktionen entwickelt, getestet und implementiert werden. In Verbindung mit experimentellen Arbeiten des AP 1.8 sollen zudem funktionale Druck- und Temperaturabhängigkeiten der geochemischer Prozesse wie z.B. Sorptions- und Austauschreaktionen im Modell implementiert werden, sodass die in AP 1.8 ermittelten Parametrisierungen für die gekoppelte Simulation übernommen werden können. Die Verifikation der neu entwickelten Methoden erfolgt durch Benchmarks, Testrechnungen und Modellvergleiche.

Die Injektion von Gas in den Untergrund führt zu kleinen Änderungen der physikalischen Parameter (elastische Moduli, Dichte, spezifischer Widerstand ) im Bereich des Reservoirs. Folglich erfordert die räumliche Kartierung und zeitliche Überwachung der Gasausbreitung ein hochauflösendes geophysikalisches Abbildungsverfahren. Kernstück des in AP 2.3 zu entwicklenden geophysikalischen Monitoringkonzepts bildet die seismische Wellenforminversion. Klassische laufzeitbasierte tomographische Verfahren sind in der Auflösung auf die Größe der 1. Fresnelzone eingeschränkt, wie in der Rekonstruktion des komplexen Marmousi-Models (cf. Abbildung 1, a und c). Nutzt man neben den reinen Laufzeitinformationen einzelner Wellen auch die Amplituden und Phasen des gesamten aufgezeichneten Wellenfeldes im Rahmen einer Wellenforminversion (Abbildung 1b), läßt sich die Auflösung im Vergleich zum wahren Untergrundmodell (Abbildung 1c) signifikant verbessern.  
 

 
Abbildung 1

Entscheidend für eine effiziente Wellenforminversion sind präzise, massiv parallelisierte seismische Vorwärtsmodellierungscodes. Neben der Optimierung und Weiterentwicklung des 2D Finite-Differenzen (FD) Codes DENISE zur Modellierung und Inversion von Wellen in visko- und poro-elastischen Medien bildet die Entwicklung des 2D diskontinuierlichen Galerkin Finite-Elemente (DG-FEM) Codes GERMAINE einen besonderen Arbeitsschwerpunkt.  Die entwickelte Monitoringstrategie wird anhand von synthetischen Injektionsszenarien basierend auf Mehrphasenströmungssimulationen (Abbildung 2, a-c) getestet. Die berechneten Gassättigungsverteilungen lassen sich über ein Gesteinsmodell in Änderungen der elastischen Materialparameter umrechnen (Abbildung 2d) und mit den seismischen Modellierungscodes für realistische reflexionsseismische Akquisitionsgeometrien synthetische Daten berechnen (Abbildung 2e). Diese Daten bilden die Grundlage für Auflösungsanalysen und Optimierungen der  elastischen Wellenforminversion. Die invertierten seismischen Geschwindigkeits- und Dichteänderungen (Abbildung 2f) können entweder direkt mit den wahren Änderungen (Abbildung 2d), oder über eine Inversion des Gesteinsmodells in Gassättigungen umgerechnet (Abbildung 2g) und mit den Sättigungen aus den Mehrphasenströmungssimulationen, verglichen werden. Das geophysikalische Monitoringkonzept wird durch die Kombination der seismischen Wellenforminversion mit geoelektrischen, elektromagnetischen, gravimetrischen und mikroseismischen Verfahren komplettiert (Hagrey et al., 2014).
 


Abbildung 2

An den Arbeiten in AP 2.3 sind die Arbeitsgruppen Angewandte Geophysik und Geohydromodellierung der CAU Kiel beteiligt. Die Implementierung der Temperaturabhängigkeiten spezifischer geochemischer Reaktionen erfordert die Identifizierung und Quantifizierung dieser Abhängigkeiten durch die experimentellen Arbeiten des AP 1.8. Der weiterentwickelte OGS Code dient dann der Simulation von Leckage-Szenarien in AP 3.2 und AP 3.3. Basierend auf diesen Simulationen läßt sich das kombinierte geophysikalische Monitoringkonzept testen und optimieren.

 

Literatur:
Hagrey, S.A.al, Köhn, D., Rabbel, R., 2014, Geophysical assessment of renewable gas energy compressed in geologic pore storage reservoirs, SpringerPlus 2014, 3:267, 16p. Doi:10.1186/2193-1801-3-267.

Martin, G.S., Marfurt, K.J. and Larsen, S., 2002, Marmousi-2: An Updated Model for the Investigation of AVO in Structurally Complex Areas, 72nd Annual International Meeting, Society of Exploration Geophysicists, Expanded Abstracts, 1979-1982.