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Stimulation, hydraulische

Spannungsverhältnisse an einem druckbeaufschlagten Riss. Quelle: Rüter

Die hydraulische Stimulation (Scherungs-Stimulation, shear stimulation) ist die wesentlichste Methode in der Tiefengeothermie um die Lagerstätteneigenschaften zu verbessern. Ziel der Verbesserung ist im Allgemeinen eine Verbesserung der Wasserwegsamkeit, sei es auf Produktionsseite oder der Injektionsseite einer Dublettenanlage. Im Gegensatz zur Säurebehandlung wirkt die hydraulische Stimulation in einem weiteren Umfeld um die Bohrung.

Technisch wird die Bohrung als Ganzes oder in abgepackerten Abschnitten über das Arbeitsmittel Wasser mit Druck beaufschlagt, wobei vorhandene Risse aufgeweitet werden (hydrothermale Geothermie) oder neue Risse entstehen können (petrothermale Geothermie). Physikalisch wird dies durch das angetroffene in situ  Spannungsfeld in Relation zu den aufgebrachten Drücken gesteuert. Chemische Zusätze zu dem Arbeitsmittel Wasser werden in der Geothermie nicht verwendet.

Die aufgeweiteten oder neu entstandenen Risse schließen sich nach dem Ablassen des Druckes nicht wieder, da der sog. Self-propping Effekt eintritt. Stützmittel sind nicht notwendig.

Massive hydraulische Stimulation

Massive hydraulische Stimulationen werden von der Erdöl-Erdgas-Industrie seit vielen Jahren in Sedimenten zur Steigerung der Ergiebigkeit von Bohrungen, d. h. der Produktionsrate durchgeführt. Bei einer massiven hydraulischen Stimulation werden meist große Wassermengen unter hohen Drucken verpresst, um Klüfte zu weiten bzw. zu erweitern. Häufig werden dem Injektionswasser zur Effizienzsteigerung und dauerhaften Ergiebigkeit Sand (Stützmittel) und chemische Zusätze beigegeben. Massive hydraulische Stimulationen in unkonventionellen Lagerstätten, d. h. Lagerstätten, in denen das Fluid sich nicht frei bewegen kann, werden von der Kohlenwasserstoff-Industrie in den letzten Jahren insbesondere in gering mächtigen sedimentären Horizonten von einer schichtparallelen Bohrung aus als vertikaler Frac alle 100–200 m durchgeführt.

Hydraulische Stimulation mit Multifracs

Unter Multifrac versteht man eine gezielte Anordnung einer größeren Zahl kleinerer Fracs im Untergrund, um eine Wasserwegsamkeit zwischen zwei Bohrungen zu erzeugen (Wärmetauscher). Im natürlichen Spannungsfeld bilden sich diese Fracs vorwiegend vertikal und parallel zueinander aus. Sie streichen in Richtung der größten horizontalen Hauptspannung.

Die zuvor notwendigen Horizontalbohrungen sind so anzulegen, dass sie im Spannungsfeld richtig orientiert sind und ihr Abstand den zu erwartenden Rissgrößen entsprechen. Bei einem Multifrac muss der Rissdruck an einer genau definierten Stelle eingebracht werden. Hierzu kann das Bohrloch oberhalb und unterhalb dieser Stelle abgepackert werden. Ist die Bohrung verrohrt und die Verrohrung durch Zementation hinterfüllt, so ist die Verrohrung an dieser Stelle zu perforieren. Dies kann entweder mechanisch oder durch Sprengstoff (perforation shot) geschehen.

Die perforation shots können durch das seismologische Monitoring erfasst werden und hier das seismologische Netz kalibrieren, so dass sehr genau Lokationen der Rissausbreitung möglich werden.

Videos

Interview mit Prof. Dr. Ernst Huenges (GFZ Potsdam)

Zuletzt bearbeitet September 2020