Im Folgenden sind Begrifflichkeiten und deren Definitionen aufgeführt wie sie im Gutachten verwendet werden.
Additive
Stoffe, die mit dem Frac-Fluid in die Bohrung eingebracht werden wie z.B. Chemikalien wie Tonstabilisatoren, Reibungsminderer, Biozide. Siehe auch Definition Frac-Chemikalie.
Altbohrungen
Unter dem Begriff Altbohrungen werden hier „verfüllte Bohrungen“ verstanden, aber auch ge-nerell alte Bohrungen (im Vergleich zu einer Neubohrung), die nicht notwendigerweise verfüllt sind.
Aufsuchung
Nach den einschlägigen Vorgaben (BBergG, BVOT, etc.) ist die Aufsuchung als „die mittelbar oder unmittelbar auf die Entdeckung oder Feststellung der Ausdehnung von Bodenschätzen gerichtete Tätigkeit“ definiert, die als Rechtstitel eine Erlaubnis voraussetzt. Hier auch als Ex-ploration bezeichnet.
Zur Erkundung einer potenziell höffigen Lagerstätte werden eine bzw. mehrere Aufsuchungs-bohrungen/Explorationsbohrungen abgeteuft. Diese Phase kann bereits die Durchführung von Fracking-Maßnahmen enthalten.
Barrieregesteine/Barriereschicht/Barrierehorizont
Geologische Schichten, die aufgrund ihrer Mächtigkeit, ihrer lithologischen und hydraulischen Eigenschaften eine Fluidmigration verhindern.
Baselinemonitoring
Monitoring zur Beweissicherung, welches vor jeglicher Aktivität durchgeführt werden sollte.
Bohrfeld
Schließt alle Bohrplätze, die einem Bohrfeld zugeordnet sind, mit ein. Siehe auch Definition Setting.
Bohrplatz
Ein Bohrplatzlässt sich in zwei Bereiche unterteilen. Erstens in einen Bereich in dem wasserge-fährdende Stoffe gelagert werden oder mit ihnen umgegangen wird. Zweitens in einen Bereich in dem keine wassergefährdenden Stoffe anzutreffen sind. Der erste Bereich umfasst u.a. den Bohrturmunterbau mit Bohrkeller und Fundament, die Maschinenstellfläche, Dieselöllager, Läger für wassergefährdende Stoffe, Bohrgutgrube bzw. -behälter. Der zweite Bereich umfasst Verkehrsflächen, Stellflächen für Büro-, Sanitär-, Werkstatt- und sonstige Container, Lagerflä-chen von nicht wassergefährdenden Spülungszusätzen und das Rohrlager. Ein Bohrplatz kann mehrere Bohrungen umfassen.
Flowback
Als Flowback ist die Flüssigkeit definiert, die nach einem Frac-Vorgang an die Oberfläche ge-langt. Lagerstättenspezifisch ergibt sich dabei ein Flowback aus einem Gemisch aus Frac-Fluid, Lagerstättenwasser, übertägig kondensiertem Wasserdampf und Methangas. Neben den einge-setzten Additiven des Frac-Fluids kann dieses Gemisch somit zusätzlich mögliche Reaktionspro-dukte, die sich aus den Additiven während des Frac-Prozesses bilden, und mobilisierte Lösungs-produkte aus der Lagerstätte enthalten.
Frac
Durch Fracking erzeugter Riss im Reservoirgestein zur Steigerung der Permeabilität und damit der Förderung. Zur Gesteinsuntersuchung außerhalb des Reservoirs werden auch Klein- oder Minifracs nahe der Bohrlochwand durchgeführt.
Fracking
Methode vor allem der Erdöl- und Erdgasförderung, bei der in technischen Tiefbohrungen oft-mals mit Horizontalablenkung eine Flüssigkeit oder Gase eingepresst werden, um im
Reservoirgestein Risse zu erzeugen, aufzuweiten und zu stabilisieren und so das hydraulisch dichte Primärgestein erschließbar zu machen. In Deutschland 1961 das erste Mal eingesetzt.
Frac-Chemikalie
Chemikalie, die dem Frac-Fluid zugesetzt und beim Fracking eingesetzt wird.
Frackingphase
Begrenzter Zeitraum, in dem Fracking durchgeführt wird.
Frac-Fluid
Frac-Fluide sind Flüssigkeiten, die in das Bohrloch mit hohem Druck in der gasführenden Ziel-formation verpresst werden und dadurch künstliche Risse erzeugt und offengehalten werden.
Mit Hilfe bestimmter, konditionierter Frac-Fluide werden verschiedene Stützmittel in die durch das Fracking geschaffene Wegsamkeiten eingebracht, um diese möglichst lange zu stabilisieren und die Gasdurchgängigkeit aufrechtzuhalten. Frac-Fluide setzen sich aus Trägerflüssigkeit, Stützmitteln und Additiven (Frac-Chemikalien) zusammen.
Gefahr
Im juristischen Sprachgebrauch wird das Risiko von der Gefahr abgegrenzt. Hier beschreibt Gefahr eine Situation, in der bei ungehindertem, nicht beeinflussbaren Ablauf des Geschehens ein Zustand oder ein Verhalten mit hinreichender Wahrscheinlichkeit zu einem erwarteten Schaden führt. Die Gefahr stellt ein deutlich erhöhtes Risiko dar.
Gewinnung
Nach den einschlägigen Vorgaben (BBergG, BVOT, etc.) ist die Gewinnung (hier auch Produkti-on) als das Lösen oder Freisetzen von Bodenschätzen einschließlich der damit zusammenhän-genden vorbereitenden, begleitenden und nachfolzusammenhän-genden Tätigkeiten definiert, die als Rechts-titel (nach erfolgreicher Aufsuchung) eine Bewilligung voraussetzt.
Hochvolumen-Hydrofracking (high volume hydro fracking)
Einpressen von mindestens 1.000 m3 Wasser je Frackingphase oder von mindestens 10.000 m3 Wasser während des gesamten Fracking-Prozesses in ein Bohrloch (EU-Kommission, 2014).
Induzierte Seismizität
Als induzierte Seismizität wird vereinfacht die Erdbebentätigkeit, welche durch menschlichen Eingriff in den Untergrund verursacht wird, bezeichnet. Hier umfasst die induzierte Seismizität auch die getriggerte Seismizität. Die induzierte Seismizität umfasst die seismischen Ereignisse innerhalb der Lagerstätte. Getriggerte Seismizität beschreibt die seismischen Ereignisse außer-halb der Lagerstätte auf existierende Verwerfungen.
Lagerstätte
Hier Schiefergaslagerstätte.
Lagerstättenwässer
Bei Lagerstättenwasser handelt es sich um Wasser, das natürlicherweise in einer Lagerstätte vorkommt. Die Zusammensetzung des Lagerstättenwassers ist von den jeweiligen Lagerstätten abhängig. In Norddeutschland besteht Lagerstättenwasser in der Regel vorrangig aus
hochsalinaren Lösungen von Natriumchlorid, Calciumchlorid, Kaliumchlorid und
Magnesium-chlorid sowie möglicherweise aus Resten von Kohlenwasserstoffen. Je nach Lagerstätte können auch andere Stoffe wie Quecksilber oder natürliche radioaktive Stoffe (N.O.R.M.-Stoffe) enthal-ten sein.
Nachsorgephase
Zeitraum, in dem nach rückgebauten Gewinnungsbohrungen und verbundenen Einrichtungen nachfolgende Auswirkungen überwacht werden.
Natürliche Seismizität
Natürliche Seismizität beschreibt die Erdbebentätigkeit, die rein geologisch/geotektonisch be-dingt ist.
N.O.R.M.
Fachbegriff für natürliche radioaktive Substanzen, welche beispielsweise in bergbaulichen Hin-terlassenschaften oder in tiefen Aquiferen natürlicherweise vorkommt. N.O.R.M. steht für „na-turally occurring radioactive material / „natürlich vorkommendes radioaktives Material“.
Oberflächenwasser
Das WHG definiert in § 3 Nr. 1 „Oberirdische Gewässer“ als „das ständig oder zeitweilig in Bet-ten fließende oder stehende oder aus Quellen wild abfließende Wasser.“ Dazu zählen chengewässer wie Flüsse oder Seen und noch nicht versickertes Niederschlagswasser. Oberflä-chenwasser ist meistens durch Schwebstoffe oder gelöste Schadstoffe verschmutzt und kann erst nach einer Wasseraufbereitung als Trink- oder als Betriebswasser für industrielle Zwecke ge-nutzt werden.
Proppants
Dem Frac-Fluid hinzugefügtes Stützmittel in Form von natürlich vorkommendem Quarzsand und/oder druckfestem Keramikgranulat zur Offenhaltung der erzeugten Risse.
Qualität der Aussagen
Wissenschaftlich belastbar: Wahrscheinlichkeit >90%
Hinreichend ausgeschlossen: Wahrscheinlichkeit <50%
Risiko
Ein Risiko ist eine durch ein Ereignis (Risikoereignis) oder einen Umstand bedingte negative Abweichung von einem Ziel, welches unter dem Einfluss von Unsicherheit geplant oder ent-schieden worden ist. Ein Risiko ist das Produkt von Eintrittshäufigkeit bzw. Eintrittswahrschein-lichkeit und Schadensausmaß (Quellen: RMA Standard, AUS/NZ Standard 4360, ISO31000).
Risikoereignis
Eine Ursache des potentiellen Schadens oder Risikos oder eine Situation, mit dem Potential, einen Verlust zu verursachen.
Rückbauphase
Zeitraum, in dem Gewinnungs-/Produktionsbohrungen verschlossen bzw. rückgebaut und da-mit verbundene Einrichtungen abgebaut werden.
Schiefergas
Gelangen Tongesteine durch geologische Prozesse in große Tiefen, so werden sie aufgrund der mit der Versenkung verbundenen Temperaturzunahme erhitzt. Aus dem enthaltenen organi-schen Material werden mit der Temperaturerhöhung Kohlenwassersstoffe abgespalten. Diese können aus den Mutter-(Wirts-)gesteinen entweichen und Erdöl- und Erdgaslagerstätten füllen, jedoch verbleiben immer noch Restmengen im Muttergestein, die als Schiefergas oder Schie-feröl bezeichnet werden (BGR, 2012).
Setting
Ausgewählter Standort mit geeigneten geologischen Verhältnissen, der hier im Kontext der Gewinnung von Schiefergas zum Aufzeigen einer speziellen Anwendung (z.B.
Grundwassermonitoringkonzept, Raumplanung) genutzt wird.
Tightgas
Tightgas ist eingeschlossen in nahezu undurchlässigen und gering-porösen Sand- oder Kalk-steinformationen, in Norddeutschland normalerweise in Teufen unterhalb von 3.500 m. Das Entwicklungspotenzial von Sandsteinreservoiren wird bestimmt durch ihre Porosität (die offe-nen Räume zwischen den Gesteinskörnern) und ihre Durchlässigkeit (wie einfach sich Flüssig-keiten oder Gas durch das Gestein bewegen).
Trinkwasseraquifer
Der Trinkwasseraquifer bezeichnet hier ausreichend wasserführende Schichten (Grundwasser-leiter), mit hinreichend gutem Wasserchemismus, die zur Trinkwassergewinnung genutzt wer-den oder werwer-den können.
Überdruck: wird hier für überhydrostatischer Druck verwendet Unterdruck: wird hier für unterhydrostatischer Druck verwendet Versenkung / Verpressung
Injektion von Flowback zur Entsorgung in geeignete geologische Horizonte (Versenk- bzw.
Verpresshorizonte). Bei den Horizonten kann es sich um ausgebeutete d.h. druckreduzierte ehemalige Öl- oder Gaslagerstätten, druckerniedrigte Aquifere in unmittelbarer Nachbarschaft zu ehemaligen Erdgas- oder Erdöllagerstätten und um nicht kohlenwasserstoffführende
Aquifere handeln.
5 Quellenverzeichnis
BGR (2012): Abschätzung des Erdgaspotenzials aus dichten Tongesteinen (Schiefergas) in Deutschland.
Hannover: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR).
Brufatto, C. et al. (2003): From mud to cement – building gas wells. Oilfield Review 15(3):62-76.
Burri, P., Chew, K., Jung, R., Neumann, V. (2011): The Potential of Unconventional Gas – energy bridge to the future. Swiss Bulletin, Vol. 16/2.
Europäische Kommission (2014): Empfehlung der Kommission mit Mindestgrundsätzen vom 17.03.2014 für die Exploration und Förderung von Kohlenwasserstoffen (z.B. Schiefergas) durch Hochvolumen-Hydrofracking, COM(2014) 23 final/2.
Ewen, C.; Borchardt, D.; Richter, S.; Hammerbacher, R. (2012). Risikostudie Fracking. Übersichtsfassung der Studie „Sicherheit und Umweltverträglichkeit der Fracking-Technologie für die Erdgasgewinnung aus unkonventionellen Quellen“. Darmstadt: team ewen – Konflikt- und Prozessmanagement.
Meiners, H. G.; Denneborg, M.; Müller, F.; Bergmann, A.; Weber, F.-A.; Dopp, E.; Hansen, C.; Schüth, C.;
Buchholz, G.; Gaßner, H.; Sass, I.; Homuth, S.; Priebs, R. (2012): Umweltauswirkungen von Fracking bei der Aufsuchung und Gewinnung von Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten - Risikobewertung, Handlungsempfehlungen und Evaluierung bestehender rechtlicher Regelungen und Verwaltungs-strukturen. Dessau, Umweltbundesamt.
Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV) (Hrsg.) (2012): Fracking in unkonventionellen Erdgas-Lagerstätten in Nordrhein-Westfalen. Gutachten mit Risikostudie zur Exploration und Gewinnung von Erdgas aus un-konventionellen Lagerstätten in Nordrhein-Westfalen (NRW) und deren Auswirkungen auf den Na-turhaushalt insbesondere die öffentliche Trinkwasserversorgung. Ministerium für Klimaschutz, Um-welt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, Düsseldorf.
Roßnagel, A, Hentschel, A, Polzer, A (2012): Rechtliche Rahmenbedingungen der unkonventionellen Erd-gasförderung mittels Fracking. Kassel University Press.
SRU (2013): Fracking zur Schiefergasgewinnung - Ein Beitrag zur energie- und umweltpolitischen Bewer-tung. Stellungnahme des Sachverständigenrates für Umweltfragen (SRU).
Arbeitspaket 1 --- Monitoringkonzept Grundwasser
von Uwe Dannwolf Anke Heckelsmüller
RiskCom GmbH
Juni 2014
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungen
1 Einleitung und Fragestellung ... 1 2 Vorbemerkungen ... 2 2.1 Aufgaben des Monitorings ... 2 2.2 Rahmen des Monitoringkonzeptes ... 2 2.3 Vorgängerstudien ... 3 3 Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes ... 5 4 Geologie und Hydrogeologie des flachen und tiefen Untergrunds ... 6 4.1 Druckverhältnisse im tieferen Untergrund ... 6 4.1.1 Allgemeine Betrachtungen ... 6 4.1.2 Entstehung von Überdrücken im tieferen Untergrund ... 9 4.2 Rolle der Barrieregesteine ...12 4.2.1 Eigenschaften der Barrieregesteine ...12 4.2.2 Nachweis und Ausbildung von Barrieregesteinen ...12 4.3 Störungszonen ...16 4.4 Eigenschaften der dichten Tongesteine (Schiefergasgesteine) ...18 5 Fracking ...20 5.1 Rissausbreitung ...20 5.2 Risshöhe ...23 6 Fluidtransport ...24 7 Identifikation der oberirdischen und unterirdischen Risiken bei der
Schiefergasgewinnung ...25 7.1 Oberirdische Risiken ...26 7.2 Unterirdische Risiken ...28 7.2.1 Technische Risiken beim Bohrvorgang ...28 7.2.2 Technische Risiken beim Bohrausbau ...29 7.2.3 Risiken bei der Stilllegung von Bohrungen ...33 7.2.4 Technische Risiken beim Fracken ...35
7.2.5 Störungen und Klüfte...36 7.2.6 Risiken der Gasmigration ...36 7.2.7 Risiken durch Subsidenz ...38 7.2.8 Geologische Risiken ...38 7.2.9 Risiken durch die seismische Überwachung ...39 7.3 Zusammenfassung der Risiken ...41 7.4 Bewertung der Risiken ...42
7.4.1 Quantifizierung der Eintrittswahrscheinlichkeiten der Risiken der
Schiefergasgewinnung ...42 7.4.2 Vergleich mit USA ...43 7.4.3 Zeitliche Auswirkungen der Risiken ...44 7.5 Risikominimierende Maßnahmen ...45
7.5.1 Behördliche Mindestanforderungen und Maßnahmen zum Schutz des
Oberflächen- und Grundwassers ...45 7.5.2 Weitere Maßnahmen ...47 8 Strategie zur Erfassung von Untergrundveränderungen...48 8.1 Rechtliche Würdigung ...48 8.2 Baseline-Monitoring ...49 8.3 Überwachungsmonitoring ...50 8.4 Anforderung an die Messstellen zur Überwachung des Grundwassers...50 8.4.1 Auswahl der Grundwasserhorizonte und Lage der Messstellen ...50 8.4.2 Messeinrichtungen zur Drucküberwachung im Ringraum ...51 8.4.3 Oberster Grundwasserhorizont ...52 8.4.4 Trinkwasseraquifer ...53 8.4.5 Erster Grundwasserleiter unterhalb tiefstem Trinkwasseraquifer ...54 8.4.6 Horizont bis 300 m oberhalb Frac-Horizont ...56 8.5 Räumliche Anforderungen an das Monitoring ...57 8.6 Zeitliche Anforderungen an das Monitoringkonzept ...59 8.6.1 Zeitliche Anforderungen - Baselinemonitoring ...59 8.6.2 Zeitliche Anforderungen - Überwachungsmonitoring ...59 9 Monitoringkonzept am Beispiel für das Setting Niedersächsisches Becken ...62 9.1 Geologie und Hydrogeologie des Niedersächsischen Beckens ...62 9.2 Geologie und Hydrogeologie im Bereich der Bohrungen Damme 2 und 3 ...62 9.3 Erkundungsbohrung Damme 2/2a und 3 ...63
9.4 Monitoringkonzept für Damme 2 und 3 ...63 9.4.1 Bestehendes Monitoringkonzept ...63 9.4.2 Vorgeschlagenes Monitoringkonzept ...64 10 Anforderungen an die Messparameter ...66 11 Indikatoren für Beurteilung und Steuerung / Bewertungssystem ...68 12 Grundwassermonitoringkonzept für Verpresshorizonte ...70 12.1 Einleitung ...70 12.2 Identifikation der Risiken ...71 12.2.1 Oberirdische Risiken ...71 12.2.2 Unterirdische Risiken bei der Versenkbohrung ...72 12.2.3 Zusätzliche Risiken durch das Verpressen ...73 12.2.4 Pflichten gemäß eines Überwachungskonzeptes aus der
Kohlendioxidspeicherung ...73 12.3 Strategie zur Erfassung der Veränderungen bei Verpresshorizonten ...74 12.3.1 Lage und Anforderung an Grundwassermessstellen bei Verpresshorizonten ...74 12.3.2 Anforderung an Parameter bei Verpresshorizonten ...75 13 Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen ...77 14 Quellenverzeichnis ...82
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Herangehensweise zur Entwicklung des Monitoringkonzeptes ... 5 Abb. 2: Konzeptionelle Vorstellung des tieferen Untergrunds mit
Druckverhältnissen und Grundwasserströmungsrichtungen... 7 Abb. 3: Druckverhältnisse mit initialen Lagerstättendrücken aus
Niedersächsischen Erdöl-und Erdgaslagerstätten ... 9 Abb. 4: Generalisierte Tiefendarstellung der Drücke am Norwegischen
Kontinentalrand ...11 Abb. 5: Speicher- und Barrierekataster für Norddeutschland ...14 Abb. 6: Wechselfolge der Barriere- und Speichergesteine in Niedersachsen...15 Abb.7: (Blockierende) Störungen als Fallen für Erdgasvorkommen ...17 Abb. 8: Übersicht von unkonventionellen und konventionellen Gasreservoiren ...18 Abb. 9: Mikroseismische Darstellung der Frac-Ausbreitung für zwei benachbarte
Horizontalbohrungen ...20 Abb. 10: Frac-Ausbreitungsberechnung mit Spannungsprofil ...21 Abb. 11: Durchbohrter Frac ...21 Abb. 12: Horizontalbohrung im Tightgas mit fünf gefrackten Segmenten ...22 Abb. 13: Frac-Höhe und –Ausbildung eines Fracs (rechte Abbildung) ...23 Abb. 14: Egebnisse aus der Drilling Spills Datenbank ...25 Abb. 15: Aufbau eines Bohrplatzes ...27 Abb. 16: Voll- und teilzementierter Bohrausbau...30 Abb. 17: Unfälle bei Öl- und Gasbohrungen in Texas und Ohio ...34 Abb. 18: Streugasmigration in einer Gasbohrung ...37 Abb. 19: Mögliche Lage von Geophonen und Geophonbohrungen ...40 Abb. 20: Risikobehaftete Arbeitsprozesse ...41 Abb. 21: Zu einer möglichen Grundwasserkontamination führende Risiken ...42 Abb. 22: Eintrittswahrscheinlichkeiten ausgewählter Risikoereignisse und
-szenarien ...43 Abb. 23: Zeitliche Auswirkungen der Risiken in Bezug auf die einzelnen Phasen
bei Schiefergasaufsuchung und –gewinnung ...45 Abb. 24: Vorgeschlagene exemplarische Anordnung der
Überwachungsmessstellen ...58 Abb. 25: Probenahmezyklus beim Überwachungsmonitoring ...60 Abb. 26: Geologischer Profilschnitt westlich von Damme ...63
Abb. 27: Lage der Bohrungen Damme 2 und 3 inkl. Lage der
Grundwassermessstellen (grün: flach / blau: tief) ...64 Abb. 28: Teufen der Monitoringbohrungen am Beispiel Damme 2 und 3 ...65 Abb. 29: Schematische Übersicht zur derzeitigen Behandlung von Flowback ...70 Abb. 30: Monitoringschema Verpresshorizonte ...75
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Zusammenfassende, tabellarische Übersicht über die zu überwachenden
Aquifere ...57 Tab. 2: Indikatoren und Bewertung für das Grundwassermonitoring ...68
Abkürzungsverzeichnis
ALARP As Low As Reasonably Practicable API American Petroleum Institute
BCOGC British Columbia Oil and Gas Commission
BG Bundesgenossenschaft
BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe BBergG Bundesberggesetz
BVOT Tiefbohrverordnung DC Log Dual Caliper () Log
DHSG Deepwater Horizon Study Group DepV Deponieverordnung
DVGW Deutscher Verband Gas Wasser
(D) Einheit Darcy
E&P Industrie Erdöl- und Erdgasindustrie
EMPG ExxonMobil Production Deutschland GmbH ERT Electrical Resistancy Tomography
FIS-KW Fachinformationssystem-Kohlenwasserstoffe FuE Forschung- und Entwicklung
GGBefG Gefahrgutbeförderungsgesetz GWPC Groundwater Protection Council GrwV Grundwasserverordnung
HPHT- Zonen High-Pressure High-Temperature-Zonen HSE Officer Health & Safety Officer
(K) Kenngröße Permeabilität (kf) Durchlässigkeitsbeiwert
KSpG Gesetz zur Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid LAWA Bund/Länder Arbeitsgemeinschaft Wasser
LBEG Landesamt für Bergbau und Geologie
N.O.R.M. naturally occurring radioactive material / natürlich vorkommendes radioak-tives Material
QRA Quantitative Risikoanalyse ReFINE Researching Fracking IN Europe
SGR Spectral Gamma Ray
UGCENTER Unconventional Oil and Gas Centers
VAwS Anlagenverordnung wassergefährdende Stoffe VDI Verein deutscher Ingenieure
WEG Wirtschaftsverband Erdöl-/ Erdgasgewinnung e.V.
WGK Wassergefährdungsklasse (hier flüssigkeitsdichter Bereich auf dem Bohrplatz)