Brüche im Untergrund der Erde spielen eine wichtige Rolle in unseren Energiesystemen – von der Bereitstellung von Wegen zur Gewinnung fossiler Brennstoffe aus Gestein tief im Untergrund bis hin zur Unterstützung aufkommender grüner Technologien wie Kohlenstoffspeicherung und verbesserter geothermischer Wärme – aber die Vorhersage der Eigenschaften dieser Brüche bleibt eine Herausforderung. Eine neue Methode, die von einem von der Penn State geleiteten Team von Wissenschaftlern entwickelt wurde, könnte ein klareres Bild von Frakturen zeichnen, wenn sie sich in Echtzeit öffnen und schließen.
„Die Bruchdynamik ist eine seit langem bestehende Frage in der Seismologie, und wie sich Brüche öffnen und schließen, ist entscheidend für das Verständnis davon“, sagte Tieyuan Zhu, außerordentlicher Professor für Geowissenschaften an der Penn State. „Wir haben eine neue Technik entwickelt, die Echtzeitinformationen über die Frakturentwicklung extrahiert, und dieses Bild kann uns einen besseren physikalischen Einblick geben, als wir es je hatten.“
Die Wissenschaftler nutzten Daten von seismischen Sensorarrays in Bohrlöchern rund um einen Hydrofracturing- oder Fracking-Standort in Wyoming. Beim Fracking wird Wasser mit hohem Druck in den Untergrund injiziert, um Risse zu öffnen und Strömungswege zu schaffen, die häufig zur Gewinnung von im Gestein eingeschlossenem Öl und Erdgas verwendet werden.
Ein Array sendet ein seismisches Signal, das sich wie Schallwellen durch das Gestein ausbreitet, zu Drucksensor-Arrays, die in nahe gelegenen Bohrlöchern platziert sind. Die Geräte zeichnen Basisdaten und Überwachungsdaten auf, die Änderungen der seismischen Geschwindigkeit zeigen können, die während des Frackings auftreten, sagten die Wissenschaftler.
„Wenn Sie einen Bruch öffnen, verringert das die seismische Geschwindigkeit“, sagte Zhu. „Ursprünglich hast du ein Stück Fels, aber wenn du einen Bruch öffnest, hast du einen Porenraum geschaffen und du hast etwas, das diesen Raum füllt, wie Wasser oder Luft, das die Geschwindigkeit verringern und deine Wellen ein bisschen langsamer machen wird. “
Die neue Analysemethode ermöglichte es den Forschern, Veränderungen im Untergrund mit höherer räumlich-zeitlicher Auflösung zu sehen, als dies mit früheren seismischen Methoden zur Charakterisierung von Brüchen möglich war, sagten die Wissenschaftler.
Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Geophysikalische Forschungsbriefedeuten auf einen klaren Zusammenhang zwischen Änderungen der seismischen Geschwindigkeit, die von den Arrays aufgezeichnet wurden, und physikalischen Änderungen im Gestein hin.
„Die Motivation für diese Studie war zu sehen, ob wir diese seismischen Daten verwenden können, um zu unterscheiden, wann sich die Brüche öffnen und schließen“, sagte Zhu. „Wir haben festgestellt, dass unser Algorithmus die Auflösung dessen, was ich dieses Bild nenne, wirklich verbessern kann. Und mit diesem besseren Bild können wir die Bruchdynamik besser verstehen.“
Die Wissenschaftler beobachteten eine kleine Geschwindigkeitsreduzierung nahe dem Beginn des Frackings, als der Druck zunahm und sich wahrscheinlich Brüche im Gestein bildeten. Sie sahen jedoch später unerwartet eine größere Geschwindigkeitsreduzierung, nachdem sich die Brüche bereits mit Fracking-Flüssigkeit gefüllt hatten.
Mithilfe von gesteinsphysikalischen Modellen stellten die Wissenschaftler fest, dass Gasblasen, die in einem gegen Ende des Fracking hinzugefügten biologischen Sanierungsmittel eingeschlossen waren, wahrscheinlich für den größeren Abfall verantwortlich waren. Die Verbindung wurde hinzugefügt, um die Bodenkontamination am Standort zu behandeln.
„Viele Leute sagten, wenn Sie einen Bruch öffnen, sehen Sie wahrscheinlich eine sehr große Geschwindigkeitsänderung, und wenn Sie ihn schließen, werden Sie eine Erholung der Geschwindigkeit sehen“, sagte Zhu. „Aber was wir sehen, ist, dass beim Öffnen des Bruchs eine kleinere Änderung als erwartet verursacht wird und dann eine größere, signifikante Geschwindigkeitsreduzierung durch die Gasblasen verursacht wird.“
Obwohl weitere Forschung erforderlich ist, sagte Zhu, dass die Methode eines Tages dazu beitragen könnte, Frühwarnzeichen für ein potenzielles Austreten von Kohlendioxidfahnen aus Kohlenstoffbindungsprojekten zu liefern oder den Wasserfluss zwischen Injektions- und Produktionsbohrungen in verbesserten geothermischen Systemen zu erhöhen.
„Penn State hat viele Möglichkeiten, Laborexperimente mit Frakturen durchzuführen – wir haben hier großartige Forscher“, sagte Zhu. „Unsere Arbeit befasst sich wirklich mit dem Feldmaßstab. Es gibt eine große Lücke zwischen Labor und Feld, und ich denke, unsere Arbeit hier hilft, diese Lücke zu schließen.“
Mehr Informationen:
Xuejian Liu et al., Understanding Subsurface Fracture Evolution Dynamics Using Time-Lapse Full Waveform Inversion of Continuous Active Source Seismic Monitoring Data, Geophysikalische Forschungsbriefe (2023). DOI: 10.1029/2022GL101739