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Am Pilotstandort Ketzin (Deutschland) war die Überwachung der CO2-Injektion und der CO2-Ausbreitung im tiefen Untergrund eines Sandsteinreservoirs erstmalig Gegenstand intensiver geoelektrischer Untersuchungen. Die vorliegende Dissertation liefert geoelektrische Erkenntnisse in einem durchgeführten wissenschaftlichen Praxistest im ersten landgestützten Feldexperiment in Europa. Die Pilotanlage umfasst eine Injektionsbohrung und zwei Beobachtungsbohrungen. Die Messungen dieser Arbeit wurden im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes CO2SINK in Zusammenarbeit des Helmholtz-Zentrum Potsdams (Deutsches GeoForschungs-Zentrum, GFZ) mit der Universität Leipzig durchgeführt. Es ergaben sich folgende konkreten Fragestellungen: Kann die CO2-Speicherung in Ketzin mithilfe geoelektrischer Verfahren überwacht und abgebildet werden? Wie kann ein geoelektrisches Monitoring technisch und wissenschaftlich realisiert werden? Eine Herausforderung dieser Arbeit ist somit auch die technische Realisierung der geoelektrischen Begleitung der Installation, des Einbaus sowie der Zementation der Bohrlochelektroden. Für die wissenschaftliche Umsetzung wurden einerseits geoelektrische Messungen in einer und in mehreren der drei Bohrungen durchgeführt, andererseits kombiniert an der Erdoberfläche und in den Bohrungen. Neben Stabilitätsprüfungen der Messwerte vor dem Beginn der CO2-Injektion fanden umfangreiche geoelektrische Messungen zur zeitlichen und räumlichen Überwachung der Vorinjektionsmaßnahmen und der CO2-Speicherung statt. Die durchgeführten geoelektrischen Bohrlochmessungen bildeten die CO2-Ausbreitung um den Injektionspunkt in einer Tiefe von rund 640 m in den Grenzen ihres Auflösungsvermögens und im Hinblick auf die geologischen Gegebenheiten wie Schichtmächtigkeit und Schichtneigung ab. Die Bereiche zwischen dem CO2-Injektionspunkt und der CO2-Front ließen sich im zeitlichen Injektionsverlauf unter-schiedlich gut auflösen. Je höher die CO2-Injektionsrate war und je kontinuierlicher das CO2 injiziert wuirde, desto besser ließen sich diese Zwischenbereiche geoelektrisch abbilden. Während sich die Form, die Größe und die Lage des injizierten CO2 gut auflösen ließen, konnten dünne Ausbreitungspfade nicht detektiert werden. Das hatte zur Folge, dass nicht alle Bereiche der CO2-Fahne vollständig aufgelöst und abgebildet werden konnten. Darüber hinaus lieferten die kombinierten geoelektrischen Messungen wichtige Erkenntnisse zum allgemeinen CO2-Ausbreitungstrend in nord-westliche Richtung. Die anisotrope Ausbreitung außerhalb des Beobachtungsraumes der Bohrlochmessanordnung konnte somit dennoch nachgewiesen werden. Die in der vorgelegten Dissertation erzielten Ergebnisse sind wegweisend für nachfolgende Projekte zur Speicherung von CO2 und anderer anthropogen verursachter Abfallstoffprodukte. Es wurde ein Beitrag zum Nachweis der prinzipiellen Anwendbarkeit der Geoelektrik als Überwachungsmethode in der CO2-Speicherung geleistet und diese beurteilt.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Theoretische Grundlagen der Gleichstrom-Geoelektrik 2.1.1 Prinzip geoelektrischer Messungen 2.1.2 Der spezifische elektrische Widerstand 2.1.3 Elektrodenkonfigurationen 2.1.4 Signalverarbeitung und 3D-Inversion 2.1.5 Kurze Einführung in die petrophysikalischen Eigenschaften 2.2 Kurze Einführung in die CO2-Speicherung 2.3 Methoden zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.1 Kurze Einführung in die großskalige Tiefengeoelektrik 2.3.2 Weltweite CO2-Speicherprojekte und angewandte Methoden zur Überwachung 2.3.3 Geoelektrische Verfahren zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.3.1 Modellierungen zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.2 Laborexperimente zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.3 CO2-Speicherstandorte mit geoelektrischer CO2-Überwachung 2.3.4 Zusammenfassung der Methodeneignung: Geoelektrik zur Überwachung der CO2-Speicherung 3 Pilotstandort Ketzin 3.1 Forschungsprojekte am CO2-Pilotstandort Ketzin 3.2 Geologie und Lokation des Untersuchungsgebietes 3.2.1 Geologie des Untersuchungsgebietes 3.2.2 Lokation und Standortwahl der drei Bohrungen 3.2.3 Bohrlochverlauf der drei Bohrungen 3.2.4 Lithologie am Pilotstandort 3.2.4.1 Stuttgart-Formation 3.2.4.2 Geologische Deckschichten 3.2.5 Zusammenfassung der Standorteignung: Ketzin als CO2- Speicherstandort 3.3 Bohrkernuntersuchungen und Monitoringmethoden 3.3.1 Gewinnung von Bohrkernen und ihre Gesteinsansprache 3.3.2 Laboruntersuchungen an Bohrkernen 3.3.3 Widerstands-Bohrlochmessungen 3.3.4 Aktives seismisches Monitoring 3.3.5 Temperaturmonitoring 3.3.6 Geochemisches Monitoring 3.3.7 Weitere Monitoringmethoden 4 Geoelektrische Messungen im Bohrloch zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 4.1 Technischer Aufbau des permanenten Vertikalelektrodensystems 4.2 Phase I: Installation, Einbau und Zementation der Bohrlochelektroden 4.2.1 Exakte Elektrodenpositionierung 4.2.2 Kontrolle der isolierten Verrohrung auf Beschädigung 4.2.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.2.2 Ergebnisse 4.2.2.3 Interpretation und Diskussion 4.2.3 Überprüfung der Verbindung zwischen installierter Elektrode und Messkabel 4.2.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.3.2 Ergebnisse 4.2.3.3 Interpretation und Diskussion 4.2.4 Überwachung der Zementation der Elektroden im Bohrlochringraum 4.2.4.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.4.2 Ergebnisse 4.2.4.3 Interpretation und Diskussion 4.2.5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase I 4.3 CO2-Injektion 4.3.1 Vorinjektionsmaßnahmen und CO2-Injektionsverlauf 4.3.2 Technische Umsetzung der CO2-Injektion 4.4 Phase II: Geoelektrische Messungen im Bohrloch vor dem Start der CO2-Injektion 4.4.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.1.2 Ergebnisse 4.4.1.3 Interpretation und Diskussion 4.4.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.4.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.2.2 Ergebnisse 4.4.2.3 Interpretation und Diskussion 4.4.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.3.2 Ergebnisse 4.4.3.3 Interpretation und Diskussion 4.4.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase II 4.5 Phase III: Geoelektrische Messungen im Bohrloch während der CO2-Injektion 4.5.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.1.2 Ergebnisüberblick 4.5.1.3 Zeitlicher Verlauf der Ankopplungsmessungen in der Injektionsbohrung und Interpretation der Ergebnisse 4.5.1.4 Übersicht der Ankopplungsmessungen in den beiden Beobachtungsbohrungen und Interpretation der Ergebnisse 4.5.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.5.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.2.2 Ergebnisse 4.5.2.3 Interpretation und Diskussion 4.5.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.3.2 Ergebnisse 4.5.3.3 Interpretation und Diskussion 4.5.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase III 4.6 Diskussion zur Eignung der Bohrlochmessanordnung 4.7 Diskussion zur Funktionsfähigkeit der Bohrlochelektroden 5 Geoelektrische Oberflächen-Bohrloch- und Oberflächen-Oberflächen-Messungen zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 5.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 5.1.1 Oberflächenmessanordnung 5.1.2 Bohrlochmessanordnung 5.1.3 Zeitliche Einordnung 5.2 Auswertung der Messdaten im Frequenzbereich 5.2.1 Zeitreihen und Amplitudenspektren 5.2.2 Verteilung der scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände 5.3 Inversionsergebnisse 5.4 Interpretation und Diskussion 5.5 Diskussion zum Ergebnisvergleich zwischen geoelektrischen und anderen Überwachungsmethoden in Ketzin Zusammenfassung und Diskussion Literaturverzeichnis Anhang A.1 Tiefenangaben: verwendete Bezugssysteme in dieser Arbeit A.2 Tabellen A.3 Abbildungen Abkürzungsverzeichnis |
