Langzeit-Bohrungsverschluss: Konzeptentwicklung, numerische Modellierung und feldtechnische Erprobung

In dieser Dissertation wird ein innovatives Bohrungsverschlusskonzept mit langzeitiger Wirkung präsentiert, das für die Langzeitverwahrung von CO2 in tiefen Erdgaslagerstätten im Rotliegend der Lokation Altmark erprobt worden ist. Das neue Konzept stellt eine Erweiterung der konventionellen Verwahrungstechnologie von Förderbohrungen dar, in dem es die Vorteile des Kriechverhaltens der massiven, homogenen und tief liegenden (>3.000m) Zechsteinsalze, insbesondere in der Region Altmark, in das Bohrungsverschlusskonzept integriert. Es umfasst die folgenden Verschlusskomponenten, die sich in der Materialzusammensetzung, der Lage, dem Wirkungseintritt und der Wirkungsdauer unterscheiden: (1) ein Standardverschlusselement als geotechnische Barriere in Form einer Zementverfüllung vom Speicherhorizont bis zum impermeablen Zechstein, (2) ein Salzverschlusselement, das sich innerhalb einer ausgefrästen und lateral erweiterten Bohrungssektion innerhalb des plastischen Zechsteins befindet und eine geologische Langzeitbarriere mit dem umgebenden Steinsalz bilden wird, (3) zwei Bridge Plugs im ungefrästen Teil der Bohrung oberhalb und unterhalb des Salzverschlusselements als geotechnische Barriere und Widerlager für die Salzkompaktion und (4) ein weiteres Standardverschlusselement aus Zement, das sich vom Bridge Plug oberhalb des Salzstopfens bis zum Bohrungskopf erstrecken wird. Diese wissenschaftliche Studie legt den Schwerpunkt auf die Entwicklung und feldtechnische Erprobung des natürlich ausgebildeten Salzverschlusselements als Schlüsselkomponente des Langzeitbohrungsverschlusskonzepts. Umfassende numerische Simulationen, die vor und während des Feldversuchs (2010-2011) durchgeführt wurden, haben erfolgreich die zeitliche Entwicklung der Bohrungskonvergenz vorhergesagt, wobei Feldmessdaten zwecks Modellverifikation hinzugezogen wurden. Die Ergebnisse des Gesamtprojektes umfassten: (1) Bewiesene vollständige Konvergenz der Zechsteinformation zum Verschluss der Bohrung sowohl numerisch als auch im Feldversuch, (2) das erfolgreiche Erbohren von Gesteinsbohrkernen aus dem Salzverschluss zwecks Gewinnung von Probekörpern für geomechanische und geohydraulische Laborversuche und (3) die nachgewiesene hydraulische Barriereintegrität der Zechsteinformation anhand eines Formationsintegritätstests mittels hydraulischer Injektion an der für den Feldversuch umgerüsteten Erdgasförderbohrung. Basierend auf diesen Ergebnissen kann das Langzeit-Bohrungsverschlusskonzept für die Lokation Altmark als erfolgreich bewertet werden. Gemäß den gewonnenen Erkenntnissen sowie der fachspezifischen Expertise kann dieses Konzept auch auf andere für die Gasspeicherung vorgesehene Lagerstätten unterhalb von Salzgesteinen übertragen werden.