Resource assessment and performance predictions in unconventional geothermal reservoirs

• Ressourcenbewertung und Leistungsprognosen in unkonventionelle geothermische Reservoirs

Deb, Paromita; Clauser, Christoph (Thesis advisor); Saar, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Geothermische Energie, die aus der natürlichen Wärme der Erde gewonnen wird, hat das Potenzial, zum globalen Energiebedarf mit minimalem ökologischen Fußabdruck nachhaltig beizutragen. Mit den Möglichkeiten, Energie aus verschiedenen Arten von geothermischen Reservoiren zu nutzen, die von konventionellen hydrothermalen Ressourcen bis hin zu unkonventionellen (EGS und superheißen) geothermischen Systemen reichen, verspricht die Geothermie stabile, nachhaltige und geographisch weit verbreitete Produktionsmöglichkeiten. Trotz dieser Vorteile und des enormen Energiegewinnungspotenzials leiden geothermische Projekte unter den hohen initialen Investitionskosten während der Explorationsphase. Die Unsicherheiten bezüglich des Untergrundes erhöhen die finanziellen Risiken von geothermischen Explorationsprojekten erheblich und beeinflussen folglich die Investitionsentscheidungen. Einige der wichtigsten geologischen Faktoren, die die Ressourcenbewertung insbesondere in unkonventionellen geothermischen Feldern beeinflussen, hängen mit der begrenzten Kenntnis des zugrundeliegenden magmatischen Systems, unsicheren Gesteinsparametern und gekoppelten Untergrundprozessen zusammen. Jeder dieser Faktoren wird in dieser Arbeit auf verschiedenen Skalen untersucht. Für die Bewertung von Ressourcen auf regionaler Ebene ist die Kenntnis der zugrundeliegenden Wärmequelle essentiell, um das Wärmebudget des Feldes korrekt zu bewerten. In dieser Studie schlage ich eine Methodik zur Rekonstruktion des thermischen Regimes in aktiven Vulkanfeldern vor, die durch mehrere vulkanische Episoden und magmatische Intrusionen gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rekonstruktion der kompletten zeitlichen Entwicklung, unter Einbeziehung von magmatischen Quellinformationen aus geochemischen und petrologischen Studien, die im geothermischen Feld beobachteten thermischen Anomalien genau erfassen kann. Auf der Ebene des Reservoirs bewerte ich die Auswirkungen von unbekannten Gesteinsparametern auf die Reservoirentwicklung und -planung. Mithilfe stochastischer Modellierung quantifiziere und reduziere ich die Unsicherheit bei der Temperaturabschätzung und verbessere so die Vorhersage des geothermischen Potenzials des Feldes erheblich. Schließlich untersuche ich auf der Laborskala die gekoppelten nichtlinearen Prozesse, die durch Stimulation in geothermischen Reservoiren induziert werden. Durch die Durchführung von hydraulischen Stimulationsexperimenten in Granitproben evaluiere ich die sensitivsten Faktoren, die die Post-Stimulationsprozesse in Gesteinen mit geringer Permeabilität beeinflussen. Die gut kontrollierbaren Experimente auf der Laborskala führten zu einem Benchmark-Datensatz, der für eine vergleichende Leistungsbewertung von zwei modernen numerischen Simulatoren verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass eine zuverlässige Vorhersage des Druckverhaltens und des stimulierten Volumens durch eine genaue Modellierung des Injektionssystems, des Flüssigkeitsaustritts und der Gesteins-Sättigungsbedingungen möglich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Beiträge unterstützen Geowissenschaftler, Ingenieure und Investoren, die an verschiedenen Arten der geologischen Erkundung beteiligt sind. Die Arbeitsabläufe werden anhand von Fallbeispielen aus der unkonventionellen Geothermie vorgestellt. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Untersuchungen finden jedoch allgemeine Anwendung in der geologischen Exploration, einschließlich konventioneller Geothermie und Kohlenwasserstoffen. Der Arbeitsablauf der thermischen Untersuchung in aktiven magmatischen Systemen ist nicht nur für die Bewertung des Wärmebudgets wichtig, sondern hat auch Auswirkungen auf die Analyse der thermischen Reife von organischem Material, ein wichtiger Faktor bei der Analyse von Kohlenwasserstoff-Reservoiren. Der Arbeitsablauf der stochastischen Lagerstättenmodellierung liefert eine deutlich höhere Genauigkeit für die vorhergesagte Temperatur und unterstützt daher Entscheidungsträger bei der Durchführung einer verbesserten Risikobewertung, bevor große wirtschaftliche Investitionen getätigt werden. Schließlich ist die Untersuchung von hydraulischen Brüchen im Labormaßstab und der damit verbundene experimentelle Datensatz von großem Wert für Benchmarking und Vergleichsstudien von Simulationscodes. Solche Code-Vergleichsstudien sind sowohl für die Industrie als auch für die akademischen Bereiche von wesentlicher Bedeutung für die Entwicklung fortschrittlicher Stimulationstechniken für geothermische Systeme und geologische Speicher. Abschließend werden alle in dieser Arbeit vorgestellten Arbeitsabläufe mit dem übergeordneten Ziel vorgeschlagen, die Unsicherheit bei der Ressourcen- und Produktivitätsbewertung von geothermischen Feldern zu reduzieren.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Numerische Geowissenschaften, Geothermie und Reservoirgeophysik [532610]