Fault zones in potential geothermal reservoir rocks in the Upper Rhine Graben: Characteristics, permeability implications, and numerical stress field models

Abstract

Störungszonen in den karbonatischen Wechselfolgen des Muschelkalks (Mittlere Trias) sind potenzielle Ziele für hydrothermale Projekte im Oberrheingraben (ORG). Es wurden verschiedene Methoden miteinander kombiniert, um die Permeabilitäts-Strukturen solcher Störungszonen, deren Spannungszustände und lokale Spannungsfelder abzuschätzen. Diese Arbeit kann damit zur Exploration von störungsgebundenen Muschelkalk-Reservoiren im ORG beitragen. Sie vergleicht diese mit einem bereits erfolgreich getesteten (störungsgebundenen) hydrothermalen Reservoir, den Sandsteinen des Buntsandsteins. Um für den Muschelkalk die Charakteristika von Störungszonen zu definieren und die zugehörige Permeabilitätsstruktur abzuschätzen, wurden verschiedene Störungszonentypen (z.B. Abschiebungen, invertierte Störungszonen, Schrägabschiebung) mit unterschiedlichen Maßstäben (Versatz: mittel-skalig 1-10 m, groß-skalig >10 m) detailliert untersucht. Eine Aufschlussanalogstudie zu einer groß-skaligen Störungszone (Schrägabschiebung) in dickbankigen Sandsteinen (Buntsandstein, Untere Trias) wurde zum Vergleich herangezogen. Der besondere Schwerpunkt lag jeweils auf der Charakterisierung von Bruchzone und Störungskern sowie des assoziierten Bruchsystems (Bruchdichte, Öffnungsweitenverteilung, Vernetzungsgrad, vertikale Ausdehnung). Die Daten zeigen, dass Bruchsysteme in eher homogenen Einheiten einen positiven Effekt auf die Reservoir-Permeabilität haben. Sie bieten, vor allem in der Nähe des Störungskerns, potenzielle Fließwege auch über mehrere Schichten und zeigen eine starke Vernetzung zwischen vergleichsweise kurzen Brüchen. Im Gegensatz dazu scheinen störungsgebundene Bruchsysteme in Einheiten mit einer starken mechanischen Schichtung einen geringeren Einfluss auf die Reservoirpermeabilität zu haben. Störungskerne zeigen stellenweise eine signifikante Komplexität, da sie vor allem abdichtende aber stellenweise auch durchlässige Strukturen aufweisen. Groß-skalige Störungszonen (im Reservoir-Maßstab) lassen sich für beide potenzielle Reservoirhorizonte am besten als kombinierte Barriere-Leiter-Systeme beschreiben. Diese Barriere-Leiter-Systeme zeichnen sich durch ein potenziell hydraulisch durchlässiges Bruchsystem in der Bruchzone (und im Buntsandstein zusätzlich in der Übergangszone) sowie einen schwach durchlässigen bis abdichtenden Störungskern aus. Um die Kenntnisse zum lokalen Spannungsfeld in Störungszonen im geschichteten Muschelkalk (Reservoirtiefe: 2.900 m) zu verbessern, wurden mit der Finite-Elemente-Software COMSOL Multiphysics® numerische 3D-Modelle erstellt. Es wurden deutliche Unterschiede des lokalen Spannungsfelds in Abhängigkeit von (1) der Orientierung, (2) dem Einfluss der maximalen Horizontalspannung SH im Spannungsregime, (3) Störungszonen-Maßstab und (4) den Kontrasten der mechanischen Eigenschaften festgestellt. In Spannungsregimen mit starker horizontaler Kompression wurde für Spannungsmagnituden und Versatz eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der Störungszone festgestellt. Vor allem groß-skalige Störungszonen mit einem 30°-Winkel zu SH scheinen einen SH-induzierten Horizontalversatz innerhalb weicher Störungszoneneinheiten zu begünstigen; in dieser wurden die höchsten Versatzbeträge festgestellt. Die typische Abnahme von Spannungsmagnituden in weicheren Störungszoneneinheiten verringert sich in Richtung von Störungszonen, die senkrecht zu SH streichen. Der Einfluss der mechanischen Schichtung steigt mit zunehmender horizontaler Kompression, was zu einem vertikal heterogenen Spannungsfeld führt. Um Annahmen zu einer möglichen hydraulischen Aktivität einer Störungszone zu treffen, werden für die untersuchten Störungszonen analytische Abschätzungen zu Bewegungs- und Dehnungstendenzen unter Reservoir-Bedingungen präsentiert. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Spannungszustände der analysierten Störungszonen, die auf das rezente Übergangsregime sowie unterschiedliche Orientierungen der maximalen Horizontalspannungen SH zurückzuführen sind. In dieser Arbeit präsentierte Ergebnisse von Aufschlussanalogstudien helfen dabei, fundierte Annahmen zur Permeabilitätsstruktur von Störungszonen zu treffen und damit vielversprechende Bohrziele im ORG zu definieren. In diesem Zusammenhang konnten sedimentäre Wechselfolgen identifiziert werden, die als potenzielle geothermische Reservoire ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse der numerischen 3D-Modellierungen können dazu beitragen, möglicherweise nötige Stimulationsmaßnahmen im Muschelkalk Reservoir optimal auszulegen. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse die Möglichkeit, Einblick in potenzielle Probleme während der Bohrungsherstellung in Muschelkalk-Reservoiren zu bekommen, wie zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit eines vertikal heterogenen Spannungsfeldes.