KEM-17 Mogelijke mechanismes bij zoutcavernes met overdruk: review en modellering op porie, caverne en diapier schalen

Het algemene doel van het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) is om het optreden van instabiliteit van cavernes en ongecontroleerde bodemdaling (inclusief sinkholes) te kunnen voorspellen en om protocollen voor caverne-risicobeheer te definiëren en te controleren, zodat de risico's van instabiliteit van cavernes en ongecontroleerde bodemdaling tijdens de exploitatie en na de buitengebruikstelling op een aanvaardbaar niveau blijven.

De specifieke doelstellingen van dit KEM-project zijn het verbeteren van de kennis over de processen die plaatsvinden wanneer de pekeldruk in de caverne (lokaal) de minimale spanning in het cavernedak of de cavernewand overschrijdt. Momenteel worden twee eindprocessen en een tussenproces beschreven in de literatuur en besproken tijdens conferenties: permeatie, hydraulische fracturering en preferentiële fingering.

1. Permeatie (of percolatie): laboratoriumexperimenten hebben aangetoond dat pekel langs de grenzen van zoutkorrels kan worden geperst. Aangenomen wordt dat dit permeatieproces langzaam kan plaatsvinden over een groot gebied, bijvoorbeeld het dak van een caverne.

2. Hydraulische fracturering: uit de aardolie-industrie weten we dat gesteente hydraulisch kan worden gefractureerd wanneer een vloeistof de minimale spanning overschrijdt. De hydraulische breuk kan leiden tot een zeer lokale en snelle lekkage van pekel uit de caverne.

3. Preferential fingering: er wordt verondersteld dat er een tussenliggend proces kan plaatsvinden waarbij vloeistof lekt via een lokale, preferentiële, semi-stabiele route.

We weten dat de eindleden permeatie en hydraulische breuk onder bepaalde omstandigheden bestaan. De specifieke subdoelen zijn:

1. De kennis van de micro-mechanismen verbeteren om te bepalen onder welke omstandigheden welk proces plaatsvindt/domineert.

2. Begrijpen hoe de processen worden beïnvloed door lokale druk, spanning, temperatuur en zouteigenschappen. Ook hoe lokale/grot-schaal/zoutkoepel-schaal heterogeniteiten in deze parameters van invloed zijn op welk proces domineert of de snelheid van de processen zelf.

VOLLEDIGE ONDERZOEKSVRAAG

Het eindrapport werd in november 2019 ingediend en bestaat uit een syntheserapport.

EINDRAPPORT VAN HET ONDERZOEK

Daarnaast werden vier werkpakketrapporten opgeleverd. Drie rapporten over studies op micro-, cavern- en dome-schaal. Zie: Micro-schaal RAPPORT, Cavern-schaal RAPPORT en Diapier-schaal RAPPORT. Eén rapport gaat over praktische maatregelen:

RAPPORT over praktische maatregelen

De onderzoeksvraag werd benaderd op drie verschillende schaalniveaus: de schaal van de korrels in de zoutformatie (microschaal), de caverneschaal en de zoutkoepelschaal. Voor elk van de drie onderdelen van het onderzoek werd een gedetailleerd individueel rapport opgesteld, samen met een beknopt rapport waarin de bevindingen en conclusies werden samengevat.

De rapporten over (1) microschaal, (2) grotten en (3) koepels bevatten elk:

1. Literatuuronderzoek naar reeds beschikbare kennis over de mechanismen van pekellekkage (permeatie/hydraulische fracturering/overige) wanneer de pekeldruk de lokale minimale spanning bereikt of overschrijdt. Voeg indien beschikbaar casestudy's toe. De microschaalprocessen zijn het belangrijkst.

2. Criteria om te bepalen wanneer welk lekkagemechanisme (permeatie/hydraulische fracturering/overige) dominant is en in welke gevallen dit niet kan worden bepaald. De criteria moeten een functie zijn van de eigenschappen van het zout (mechanisch, chemisch, korrelgrootte, heterogeniteit), de pekeldruk, de (lokale minimale) spanning en de temperatuur.

3. Rapport over de stand van zaken en mogelijkheden voor verbetering van de benaderingen en instrumenten voor het modelleren van de effecten van zoutwinning voor het voorspellen van het gedrag op korte (operationele) en lange termijn (na buitengebruikstelling) van typische cavernes in Nederland onder verschillende cavernedrukstrategieën, met inbegrip van permeatie, breukvorming en pekellekkage, en effecten van zoutinstorting.

Het project heeft geleid tot een beter inzicht in de mogelijke oorzaken en hun rol bij lekkage op micro-, caverne- en schaalniveau van zoutcavernes in Nederland. Geconcludeerd werd dat voor gesloten cavernes dieper dan 1000 meter lekkagerisico's kunnen bestaan.

Verder is een catalogus opgesteld van maatregelen die exploitanten en eigenaren van verlaten cavernes voor verschillende cavernetypologieën moeten nemen om ongecontroleerde cavernelekkage te voorkomen en daarmee de hydrogeologische risico's in watervoerende lagen en de geotechnische risico's aan de oppervlakte te verminderen.

Het risico van catastrofale lekkages kan worden voorkomen door ofwel (a) het definitief afsluiten van de caverne uit te stellen totdat de sluiting heeft plaatsgevonden (in gevallen waarin de sluitingssnelheid hoog genoeg is om dit haalbaar te maken), ofwel door periodiek pekel uit de caverne af te voeren nadat deze is verlaten, om een drukopbouw te voorkomen die groot genoeg zou kunnen zijn om breuken of andere soorten lokale lekkages te veroorzaken.

De resultaten van het KEM-17 project zijn geëvalueerd door het wetenschappelijk panel van KEM.

EVALUATIE KEM-17 PROJECT

De kwaliteit van het onderzoek in het project werd als uitstekend beoordeeld. De conclusies en suggesties zijn juist en bruikbaar. Zie ook de reactie van de Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) op de KEM-17 rapporten .

De onderzoeksresultaten zijn gepresenteerd in een KEM-DeepNL colloquium op 7 oktober 2021. De presentatie is hier te bekijken.