ausblenden:
Schlagwörter:
geothermal exploration; geothermal energy; vertical seismic profiling; seismic imaging; fibre optice; distributed acoustic; geothermische Erkundung; geothermische Energie; vertikales seismisches Profil; seismische Bildgebung; Glasfaseroptik
Zusammenfassung:
A detailed understanding of the geological structural elements is vital for geothermal reservoir
exploration. Among existing geophysical methods, seismic methods are most commonly used for
subsurface imaging due to the relatively high resolution at significant depths. However, seismic
campaigns are rather expensive. The high upfront investment cost represent a substantial
barrier for heat/electricity production from geothermal resources. Thus, developing new
techniques is vital for further reduction in exploration and drilling costs, which is necessary
for geothermal project advancements.
Within the framework of the joint research project RissDom-A, the subsurface exploration
of the Groß Schönebeck in-situ geothermal laboratory, situated 40 km north of Berlin, a seismic
survey was carried out using 3D surface seismic and 3D vertical seismic profiling methods.
VSP was acquired with wireline distributed acoustic sensing (DAS), which allows converting a
freely suspended fibre optic cable inside a borehole into a dense array of seismic sensors to
record strain or strain rate. In this thesis, the applicability of this method is evaluated for
seismic imaging of an enhanced geothermal reservoir.
The survey design consisted of 61 vibrator source positions organised in a spiral pattern
around the boreholes E GrSk 3/90 and Gt GrSk 4/05 in such a way to optimise the illumination
of the reservoir. The DAS recordings have an excellent signal-to-noise ratio (40-50 dB around
1000 m, 4-10 dB at around 4200 m). This data quality was reached with 16 vertical stacking
rates on average. In addition, a comparison with a conventional accelerometer measurement
showed excellent waveforms agreement. The acquisition campaign was conducted within four
days, illustrating that wireline DAS is very attractive both from a data quality point of view
and economically.
A 3D VSP processing workflow was adapted to the Groß Schönebeck specifics and applied
to the data. Particular depth ranges of the recorded data are subjected to strong coherent noise,
which has a distinct pattern both in the time and the frequency domain. This type of noise is
related to the poor coupling conditions of the cable in the borehole. For signal-to-noise ratio
improvement, several existing denoising methods have been analysed. After coupling noise
filter function assessment, a new noise elimination method was proposed based on the matching
pursuit decomposition technique with Gabor atoms. The developed processing routine was
uniformly applied to the whole dataset, which significantly improved the data quality, and as a
result, migration images created using the Kirchhoff depth migration algorithm with restricted
aperture.
After data processing, a detailed subsurface analysis in the vicinity of the boreholes at
the Groß Schönebeck was carried out using the 3D DAS VSP image. The resulting borehole
cube data resolve new features that could not be imaged with the 3D surface seismic cube
due to the lower resolution of the 3D surface seismic cube, with respect to the 3D VSP cube.
Complex thin interlaying of the Upper Rotliegend horizons has been revealed in the geothermal
reservoir section, allowing for the first time to access and characterise so-called “phantom
horizons” which are typical for the Brandenburg area, Germany. Furthermore, the borehole
cube provided new insights on two main targets for future exploration. The 3D DAS VSP cube
revealed an intra-reservoir structure inside the Elbe reservoir sandstone layer, which could
represent porous parts of a stacked fluvial sandstone body. The estimated thickness of this
structure varies between 25 to 40 m, which is thinner than previous estimations. Additionally,
a lower Rotliegend unconformity (at around 4.2 km depth) was mapped in the study area.
This allowed to estimate the possible thickness of the vulcanite sections below this boundary.
VSP data thus helped to reduce the uncertainty and exploration risks by providing valuable
information for the geological characterisation of the Groß Schönebeck site.
With this successful case study I demonstrated that fibre optic data could significantly
contribute to the characterisation of deep geothermal reservoirs. Consequently, presented
results contribute to the wireline distributed acoustic sensing method promotion to develop
modern, reliable and economically affordable exploration methods for geothermal energy
assessments.
Zusammenfassung:
Ein detailliertes Verständnis der geologischen Strukturelemente ist für die Erkundung
geothermischer Reservoire unerlässlich. Unter den bekannten geophysikalischen Methoden
werden vor allem seismische Untersuchungen zur Abbildung des Untergrunds aufgrund der
vergleichsweise hohen Auflösung bis in große Tiefen genutzt. Seismikkampagnen sind jedoch
verhältnismäßig teuer. Die hohen Anfangsinvestitionskosten bilden eine erhebliche Hürde für die
Wärme- und Stromproduktion aus geothermischen Ressourcen. Daher ist die Entwicklung neuer
Techniken zur Reduktion von Exploarations- und Bohrkosten für die notwendige Förderung
geothermischer Projekte essenziell.
Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts RissDom-A, der Untergrunderkundung des 40
km nördlich von Berlin gelegenen Groß Schönebeck in-situ Geothermielabors, wurden seismische
Messungen durchgeführt, bestehend aus einer 3D-Oberflächen- und einer 3D-Bohrlochseismik.
Die VSP-Daten (Vertical Seismic Profiling) wurden mittels kabelgebundenem DAS (Wireline
Distributed Acoustic Sensing) aufgezeichnet, was die Umwandlung eines frei im Bohrloch
hängenden faseroptischen Kabels in ein dichtes Array seismischer Sensoren zur Registrierung
von Strain oder Strain-Rate erlaubt. In dieser Doktorarbeit wird die Anwendbarkeit dieser
Methodik für die seismische Abbildung von EGS-Reservoiren (Enhanced Geothermal System)
eingehend ausgewertet.
Die Messkonfiguration bestand aus 61 Vibrator-Quellpositionen, die in einem spiralförmigen
Pattern um die beiden Bohrlöcher E GrSk 3/90 und Gt GrSk 4/05 derart verteilt wurden, dass
eine optimale Durchschallung des Reservoirs gegeben war. Die DAS-Aufzeichnungen zeigen ein
exzellentes Signal/Rausch-Verhältnis (40-50 dB bei ca. 1000 m, 4-10 dB bei ca. 4200 m). Diese
Datenqualität konnte aufgrund der durchschnittlich 16-fachen vertikalen Stapelrate erzielt werden.
Zu Vergleichswecken zusätzlich vorgenommene konventionelle Beschleunigungsaufnehmer-
Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung der Wellenformen. Die Messkampagne
umfasste vier Tage, was die Attraktivität von Wireline-DAS unter sowohl qualitativen als auch
ökonomischen Aspekten überzeugend demonstriert.
Eine 3D-VSP Bearbeitungssequenz wurde an die Besonderheiten der Groß Schönebeck
Messungen angepasst und auf die Daten angewendet. Einzelne Tiefenbereiche der Aufzeichnungen
enthalten starke kohärente Störsignale, die ein ausgeprägtes Muster sowohl im Zeitals
auch im Frequenzbereich aufweisen. Diese Art Noise ist auf eine ungenügende Ankopplung
des Kabels im Bohrloch zurückzuführen. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses
wurden verschiedene gebräuchliche Unterdrückungsmethoden untersucht. Nach Analyse der
Kopplungsnoise-Filterfunktion konnte eine neuartige Methode zur Rauschunterdrückung
etabliert werden, welche auf einer Matching-Pursuit Dekompositionstechnik mit Gabor-Atomen
basiert. Der auf diese Weise entwickelte Prozessierungsansatz wurde gleichmäßig auf den
gesamten Datensatz angewendet, was die Datenqualität signifikant erhöhte, so dass in der
Folge Migrationsabbilder unter Verwendung eines Kirchhoff-Tiefenmigrationsverfahrens mit
beschränkter Apertur erzeugt werden konnten.
Nach erfolgter Datenbearbeitung wurde anhand der DAS/VSP 3D-Daten eine detaillierte
Untergrundanalyse im Bereich der Groß Schönebeck Bohrlöcher durchgeführt. Das
resultierende Bohrlochaten-Volumen löst viele neue Details auf, die mit dem 3D-Volumen
der Oberflächenseismik aufgrund des vergleichsweise geringeren Auflösungsvermögens nicht
abgebildet wurden. So konnten in der geothermischen Reservoirsektion komplexe dünnschichtige
Einlagerungen im Oberen Rotliegend nachgewiesen werden, die erstmalig die Ansprache und
Charakterisierung sogenannter „Phantom-Horizonte“ ermöglichen, wie sie typisch für das
Gebiet Brandenburg, Deutschland sind. Weiterhin liefert der Bohrlochdaten-Kubus neue
Einblicke auf zwei Hauptziele zukünftiger Explorationen. Das DAS/VSP 3D-Datenvolumen
zeigt eine Intra-Reservoir Strukur innerhalb der Elbe-Sandstein Schicht, die poröse Anteile eines
gestapelten fluvialen Sandsteinkörpers repräsentieren könnte. Die geschätzte Mächtigkeit dieser
Struktur variiert zwischen 25 und 40 m, was dünner ist, als zuvor angenommen. Des weiteren
konnte im Untersuchungsgebiet eine Diskordanz im Unteren Rotliegend (in einer Tiefe von
ca 4.2 km) kartiert werden. Dies erlaubt es, die mögliche Mächtigkeit der Vulkanite darunter
abzuschätzen. Somit helfen die VSP-Daten dabei, die Unklarheiten und das Explorationsrisiko
zu reduzieren, indem sie wertvolle Informationen zur geologischen Charakterisierung des Groß
Schönebeck Standorts liefern.
Mit dieser Fallstudie konnte ich erfolgreich demonstrieren, dass mithilfe faseroptischen
Kabels gewonnene Messdaten zur Charakterisierung geothermischer Reservoire maßgeblich
beitragen können. In der Konsequenz fördern die präsentierten Ergebnisse die Bedeutung
von Wireline Distributed Acoustic Sensing im Hinblick auf eine moderne, verlässliche und
ökonomische Explorationsmethode für geothermische Energiekonzepte.
