Zeitliche Stabilität der transientelektromagnetischen Antwort im Hinblick auf die Entwicklung von Monitoring-Verfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt dient der Vorbereitung, Untersuchung und methodischen Entwicklung eines bohrlochtransientelektromagnetischen Monitoringverfahrens zur Beobachtung von CO2-Plumes im Untergrund. Sowohl elektrische als auch elektromagnetische Methoden sind besonders sensitiv gegenüber der Veränderung der Leitfähigkeit des Porenfluids in porösen Gesteinsmedien, was sie generell für das Monitoring von hochohmigem CO2-Plumes in gutleitfähigen salinen Aquiferen auszeichnet. Mit grundlegenden und umfangreichen petrophysikalischen Vorarbeiten im Labor haben wir gezeigt, welche Veränderungen der elektrischen Gesteinsleitfähigkeit bei Anwesenheit von CO2 im Aquifer zu erwarten sind. Darauf aufbauend konnten wir mit unseren virtuellen elektromagnetischen Experimenten im Zeitbereich abschätzen, dass die Größenordnung des zu erwartenden Messeffekts bei einer CO2–Sequestration am Pilotstandort Brooks, Alberta, Canada, etwa 10 bis 20% sein wird, wenn wie geplant 600 t CO2 im Rahmen eines wissenschaftlichen Experiments von Carbon Management Canada in ein etwa 300 m tiefes salines Aquifer eingespeist werden und unsere transientelektromagnetische Oberfläche-zu-Bohrloch-Messapparatur zum Einsatz kommt. Seit 2015 liefen unsere Vorbereitungen für die Messungen, die dann in zwei Messkampagnen 2016 und 2018 durchgeführt wurden. Während technische Schwierigkeiten 2016 vorerst nur die Akquisition eines kleinen Datensatzes zuließen, wurde in der zweiten Messkampagne 2018 ein hochwertiger und umfassender Datensatz zur Bestimmung der Basislinie vor der CO2-Einspeisung eingeholt. Dazu wurden acht transientelektromagnetische Quellen mit bis zu 400 m Kantenlänge und Dipolmomenten von bis zu 6.4*10^6 Am2 an der Erdoberfläche positioniert. Die Messungen des elektromagnetischen Transienten konnten entlang des gesamten zugänglichen Observationsbohrlochs im Bereich von 60 bis 320 m Teufe mit hoher Datenqualität ausgeführt werden. Da das zu erwartende Messsignal klein ist, wurde im Weiteren das Hauptaugenmerk auf die Quantifizierung des Fehlers und die Güte der Wiederholbarkeit der Messungen gelegt. Daher wurden statistische Verfahren entwickelt, die die Beurteilung der Ähnlichkeit oder Unähnlichkeit von elektromagnetischen Transienten zulassen. Diese Verfahren sind aus mehreren Gründen mathematisch anspruchsvoll. Zum einen, weil es sich bei transientelektromagnetischen Signalen um nichtstationäre Zeitreihen handelt, zum anderen, weil diese Zeitreihen eine extrem große Dynamik sowohl im Zeitbereich als auch in der Amplitude aufweisen. Mithilfe einer passenden Normierung und Transformation der Daten sowie verschiedenen Abstandsmetriken wie Dynamic Time Warping und autoregressiven Zeitreihenmodellen (ARIMA) konnte ein zuverlässiger Workflow entwickelt werden, der ähnliche und unähnliche Zeitreihen voneinander trennt. Damit sind alle Voraussetzungen methodischer Art geschaffen, um im nächsten Schritt den praktischen Nachweis der Detektierbarkeit eines CO2-Plumes im praktischen Feldexperiment nachzuweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2020. Classification and repeatability studies of transient electromagnetic measurements with respect to the development of CO2 monitoring techniques, Dissertation, Faculty of Geosciences, Geoengineering and Mining of the Technische Universität Bergakademie Freiberg
Bär, Matthias
