Abschätzung der Auswirkungen von Fracking-Maßnahmen auf das oberflächennahe Grundwasser

1 | Konzept - Modellszenarien

Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig

Abschätzung der Auswirkungen von Fracking-Maßnahmen auf das oberflächennahe Grundwasser

Konzept, Szenarien und Herangehensweise

Münster, 11. November 2011



Quellelement

Senkenelement

Senkenelement

Bohrung

Störungszone

Grundwasserleiter

Grundwasserleiter

Systemkomponenten (schematische Darstellung)



Systemkomponenten und erforderliche Daten / Informationen• Fracking (Quellelement)

- Dimension abhängig von Gebirgsspannungen

- Gesteinsmechanische Parameter

- Fracking-Operative Randbedingungen• Deckgebirge (Transportelement; Leiter, Geringleiter)

- Geometrie (Mächtigkeit, Gesteinstyp, Präsenz von Störungszonen)

- Transport im Deckgebirge abhängig von hydraulischem Potential (Fracking-Periode, Grundströmung)

- Hydraulische und Transportkenngrößen• Grundwasserleiter (Senkenelement)

- Geometrie (Mächtigkeit)

- Volumenströme abhängig von hydraulischem Potential

- Hydraulische und Transportkenngrößen



Ziele

• Quantifizierung der Kontaminationsrisiken durch Fracking-Fluide im Grundwasser

- Kurzfristig durch Fracking-Operationen (wenige Stunden, hohe Potentialgradienten)

- Langfristig durch Grundwassergrundströmung (Jahre, Jahrzehnte; geringe Potentialgradienten)

• Quantifizierung der Massenflüsse der Fracking-Fluide im Grundwasser

- � Fracht

- � Konzentration



Grundprinzip „Konservativer Ansatz“

• Konservative Herangehensweise

- Transport: nur advektiven Prozess betrachtet, keine Sorption, Matrixdiffusion, Abbau

- Maximale Ausdehnung von Fracs unter gegebenen Bedingungen (Spannungsfeld, geomech. Parameter, operative Größen (z.B. Pumpleistung)

- Minimale Transportstrecken im Deckgebirge,

- Berücksichtigung potentieller schneller Wegsamkeiten (Störungszonen)

- Maximale Potentialunterschiede



Hauptfragestellungen

• Effektivität des Deckgebirges als Barriere für Transport (Mächtigkeit, Permeabilität)

• Rolle von Salzformationen als Barriere für Frack-Ausbreitung

• Effektive hydraulische Leitfähigkeiten der Transportwege (Störungszonen, Kreidekalke)

• Ausdehnung des Fracks (Rolle als Transportpfad)?



Vorgehensweise

• Identifikation und Quantifizierung der Prozesse

• Charakterisierung der Geometrie des Systems und der hydraulischen, mechanischen, thermischen und chemischen Prozesskenngrößen

• Erstellung eines mathematischen Modells

• Vorwärtssimulation von Szenarien unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Bestimmung der Systemgeometrie und der Prozessparameter (Heterogenität)



Strategie

• Abschätzung des Stofftransports während der Fracking-Phase (wenige Std., Puls)

- Norddeutsches Becken (Wealden, Posidonienschiefer)

� Hohe Deckgebirgs-Mächtigkeit, Salz-Formation (Bramsche)� Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit

Deckgebirge, hydraulisches Potential

� Mittlere Deckgebirgs-Mächtigkeit, Salz-Formation (Lünne)� Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit

Deckgebirge, hydraulisches Potential

� Geringere Deckgebirgs-Mächtigkeit, kein Salz (Damme) �konservativ

� Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential



Regionale geologisch-hydrogeologische Verhältnisse im Niedersächsischen Becken



Geologisches Profil (W – E) durch das Niedersächsische Becken• Lage der Settings Lünne und Bramsche

• Quelle, LBEG, Geotektonischer Atlas

Lünne 1 Setting Bramsche



Geologisches Profil (N - S) durch das Niedersächsische Becken• Lage der Settings Damme, Vechta

• Quelle, LBEG, Geotektonischer Atlas

Geologisches Profil – Setting LünneGeringere Deckgebirgsmächtigkeit, Salzhorizont als Barriere

Geologisches Profil – Setting BramscheHohe Deckgebirgsmächtigkeit, Salzhorizont als Barriere

Geologisches Profil am Standort (Setting) DammeGeringere Deckgebirgsmächtigkeit (über Wealden), kein Salzhorizont als Barriere



Regionale geologisch-hydrogeologische Verhältnisse im Münsterländer Becken



Strategie ff.

• Abschätzung des Stofftransports während der Fracking-Phase (wenige Std., Puls)

- Münsterländer Becken (Oberkarbon)� Hohe Deckgebirgs-Mächtigkeit, Emscher Mergel (Borken N)


� Geringere Deckgebirgs-Mächtigkeit, Emscher Mergel (Nordwalde)


� Gestörtes Deckgebirge, Emscher Mergel (Bad Laer)� Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit

Deckgebirge, hydraulisches Potential� Erfordert zusätzlich Quantifizierung des Volumenstroms in den gestörten

Bereichen � hydraulische Leitfähigkeit (abgeleitet aus Mischungsansatz)

Geologisches Profil – Setting Borken NordGeringere Deckgebirgsmächtigkeit, ungestört

Geologisches Profil – Setting NordwaldeHohe Deckgebirgsmächtigkeit, ungestört

Geologisches Profil – Setting Bad LaerGeringere Deckgebirgsmächtigkeit, gestört



Strategie fff.

• Abschätzung des regionalen Stofftransports in der Post-Frac-Phase(Jahrzehnte, regionaler Transport)

- Norddeutsches Becken

� Kein relevanter regionaler Transport erwartet wegen extrem geringer horizontaler hydraulischer Gradienten � keine Modellierung des regionalen Transports (außer bei vorh. extremen Überdrucken im Quellbereich)



Strategie ffff.

• Abschätzung des regionalen Stofftransports in der Post-Fracking-Phase(Jahrzehnte, regionaler Transport)

- Münsterländer Becken

� Modellierung des regionalen Transports in den Kreidekalken (Teutoburger Wald � Lippe u. Bäder)

� Erfordert: Quantifizierung des Volumenstroms (Prä-Bergbauphase) in den verkarsteten Kreidekalken (Mischungsansatz) � hydraulische Leitfähigkeit

� � Beitrag Ingenieurbüro Heitfeld Schetelig



Hydrogeologische Verhältnisse Quantifizierung der Grundströmung• Grundwasserströmung (Salz-, Süßwasser) in Richtung Mineralquelle

• Grundwasseraufstieg lokal an Störungszonen

Frac-FluideSalzwasser (natürlich)Süßwasser (natürlich)

MünsterMineralquellen (natürlich)

Störungszone

GeringleiterEmscher Mergel

GrundwasserleiterKreidekalke

Geringleiter (Paläoz.)Mit Kohleflözen

Geologisch-hydrogeologisches Profil durch das Münsterländer Becken (N – S)• Voraussetzung zur Simulation des regionalen Stofftransports (post-

fracking)

• Quelle Ingenieurbüro Heitfeld Schetelig



Derzeitige Aktivitäten

• Erstellung geologisch-hydrogeologische Modelle (IHS, UniGö)

- � lokale Settings

- � regionales Fließfeld• Parametrisierung der Modellkenngrößen (UniGö, IHS)

- Aus Bilanzrechnungen (Grundwasserabfluss, Salinitätsverteilung)

- Aus hydraulischen Versuchen

- Aus der Literatur und Plausibilitätsüberlegungen• Einfluss von Barrieregesteinen und Integrität von Deckgebirgsbarrieren (UniGö,

IHS)

- � Verbreitung von Salzhorizonten (Nds. Becken)

- � Position von durchflusswirksamen Störungszonen (Münsterl. Becken)

- � Effektivität der durchflusswirksamen Störungszonen (Münsterl. Becken)• Modellierung des Stofftransports (UniStutt)

- � lokal für Settings

- � regional für Langzeitentwicklung

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