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Imaging of an enhanced geothermal reservoir in Groß Schönebeck with vertical seismic profiling using the distributed acoustic sensing technology

Martuganova, Evgeniia

FG Angewandte Geophysik

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.
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 BeschleunigungsaufnehmerMessungen 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.