Bij de vloeistofcirculatie in geothermische systemen met een door de matrix gedomineerde stroming kunnen meerdere poreuze reservoirs betrokken zijn, waarbij warmte wordt onttrokken aan twee of meer reservoirs die van elkaar worden gescheiden door lagen met een lage permeabiliteit.
In de Nederlandse geothermische industrie worden deze vloeistofstromen binnen de putten niet gescheiden door gebruik te maken van meerdere injectie- en productietringen, maar worden ze gemengd. Bij dit type productie wordt ervan uitgegaan dat de volumeverhouding tussen de reservoirs voor de onttrokken vloeistof gelijk is aan de volumeverhouding tussen de reservoirs voor de geïnjecteerde vloeistof. Met andere woorden: de stroomverdeling in elk reservoir is in evenwicht, waarbij de watervolumes die uit één reservoir worden onttrokken en er weer in worden geïnjecteerd, gelijk zijn. Verwacht wordt dat de gemiddelde reservoirdrukken in een dergelijk systeem dicht bij of gelijk zijn aan de beginvoorwaarden. Verschillen in de reservoirkenmerken tussen de injectie- en productieput binnen één reservoir, zoals verschillen in dikte of permeabiliteit, kunnen mogelijk de vloeistofcirculatie beïnvloeden en een onevenwichtige stroming veroorzaken. Een onevenwichtige stroming kan ook het gevolg zijn van verschillen in de afwerking van de putten tussen de injectie- en productieput, en/of verschillen in de verbinding tussen de put en het reservoir (‘skinfactor1’) voor de injectie- en productieput. Ten slotte kunnen ook verschillen in de eigenschappen van de vloeistoffen tussen de reservoirs, zoals zoutgehalte of temperatuur, mogelijk een onevenwichtige stroming veroorzaken. Dit laatste kan het gevolg zijn van het feit dat de injectievloeistof een gehomogeniseerde vloeistof is waarin de geproduceerde vloeistoffen met verschillende eigenschappen niet langer gescheiden zijn, maar gemengd. Verwacht wordt dat mogelijke effecten van een onevenwichtige stroming onder meer een verandering in de reservoirdrukken omvatten. De effecten van een onevenwichtige stroming kunnen op hun beurt leiden tot gevaren zoals seismische activiteit of bodemverheffing/bodemdaling.
Geothermische systemen met productie uit meerdere reservoirs zijn nog niet systematisch onderzocht. Ook zijn mogelijke maatregelen ter beperking van de effecten van een onevenwichtige stroming, bijvoorbeeld via het ontwerp van de putten, nog niet onderzocht. Dit voorgestelde onderzoek heeft tot doel deze informatie te verschaffen door het effect te bepalen van reservoir- en vloeistofeigenschappen op de vloeistofcirculatie bij geothermische activiteiten met productie uit meerdere reservoirs, evenals de implicaties, bijbehorende gevaren en mitigerende maatregelen.
Het onderzoek werd uitgevoerd door VITO, met Sproule ERCE als onderaannemer, waarbij sterke expertise op het gebied van geothermische reservoirtechniek, geomechanica en modellering van thermisch-hydraulisch-mechanische (THM) reservoirprocessen werd gebundeld.
Bij de vloeistofcirculatie in geothermische systemen met een door de matrix gedomineerde stroming kunnen meerdere reservoirs betrokken zijn, waarbij warmte wordt onttrokken aan twee of meer reservoirs die van elkaar worden gescheiden door lagen met een lage permeabiliteit.
In de Nederlandse geothermische industrie worden deze vloeistofstromen binnen de putten niet gescheiden door het gebruik van meerdere injectie-/productiestrengen, maar worden ze gemengd. Bij dit type productie wordt ervan uitgegaan dat de volumeverhouding tussen de reservoirs voor de onttrokken vloeistof gelijk is aan de volumeverhouding tussen de reservoirs voor de geïnjecteerde vloeistof. Met andere woorden: de verdeling van de stroming in elk reservoir is in evenwicht, waarbij de watervolumes die uit een reservoir worden onttrokken en er weer in worden geïnjecteerd, gelijk zijn. Verwacht wordt dat de gemiddelde reservoirdrukken in een dergelijk systeem dicht bij of gelijk zijn aan de begincondities. Verschillen in de reservoirkenmerken tussen de injectie- en productieput binnen één reservoir, zoals verschillen in dikte of permeabiliteit, kunnen mogelijk de vloeistofcirculatie beïnvloeden en een onevenwichtige stroming veroorzaken. Een onevenwichtige stroming kan ook het gevolg zijn van verschillen in de afwerking van de injectie- en productieputten, en/of verschillen in de verbinding tussen de put en het reservoir (‘skinfactor1’) voor de injectie- en productieput. Ten slotte kunnen ook verschillen in de eigenschappen van de vloeistoffen tussen de reservoirs, zoals het zoutgehalte of de temperatuur, mogelijk een onevenwichtige stroming veroorzaken. Dit laatste kan het gevolg zijn doordat de injectievloeistof een gehomogeniseerde vloeistof is waarin de geproduceerde vloeistoffen met verschillende eigenschappen niet langer gescheiden zijn, maar gemengd. Verwacht wordt dat mogelijke effecten van een onevenwichtige stroming onder meer een verandering in de reservoirdrukken omvatten. De effecten van een onevenwichtige stroming kunnen op hun beurt leiden tot gevaren zoals seismische activiteit of opheffing/verzakking.
Thermo-hydro-mechanische modellen (THM) om geothermische systemen beter te begrijpen, zoals hun levensduur (bijv. Crooijmans et al., 2016; Daniilidis et al., 2021) of mechanische kwesties (zie het KEM-15-project, Pandey et al., 2018), zijn tot nu toe toegepast op gevallen waarin sprake is van één enkel reservoir. Geothermische systemen waarbij uit meerdere reservoirs wordt geproduceerd, zijn nog niet systematisch onderzocht. Ook zijn mogelijke maatregelen ter beperking van de effecten van een onevenwichtige stroming, bijvoorbeeld via het ontwerp van de putten, nog niet onderzocht. Dit voorgestelde onderzoek heeft tot doel deze informatie te verschaffen door het effect van reservoir- en vloeistofeigenschappen op de vloeistofcirculatie bij geothermische activiteiten waarbij uit meerdere reservoirs wordt geproduceerd, te bepalen, evenals de implicaties, de daarmee samenhangende risico’s en de maatregelen ter beperking daarvan.
Het project richtte zich op de analyse van een representatief productiescenario met twee zones voor een geothermisch dubbel in een Nederlandse geothermische omgeving, die overeenkomt met siliciclastische sedimentaire aquifers.
De drie onderzoeksvragen die als uitgangspunt voor het project waren gedefinieerd, werden op een grondige en technisch geloofwaardige manier behandeld.
Effect van reservoir-, put- en vloeistofeigenschappen op stroming en druk (RQ1)
Het rapport toont aan dat verschillen in reservoirpermeabiliteit, dikte en putgerelateerde parameters de dominante factoren zijn voor de stromingsverdeling en drukontwikkeling tijdens gemengde geothermische productie. Het basisscenario bestond uit twee zeer permeabele en lateraal aaneengesloten zandsteenreservoirs, elk 50 m dik, gescheiden door een 200 m dikke ondoordringbare afdichting, representatief voor Nederlandse geothermische systemen met lage enthalpie op dieptes van ongeveer 1.500–2.500 m. Een enkel producent–injector-duo, met een onderlinge afstand van 1.500 m, is verticaal in beide reservoirs aangeboord, zonder hydraulische verbinding buiten de putten om. Uit extreme gevallen, zoals lateraal discontinue reservoirs of putten met een grote negatieve skin en een relatief lage permeabiliteit, blijkt dat deze langdurige stromingsonevenwichtigheden en de sterkste drukafwijkingen ten opzichte van het basisscenario veroorzaken.
Effecten van onevenwichtige stroming en daarmee samenhangende risico’s (RQ2)
De studie identificeert onevenwichtige stroming als een inherent maar meestal van voorbijgaande aard kenmerk van gemengde productie. Mogelijk daarmee samenhangende risico’s worden besproken, en bodemdaling en reactivering van breuken worden expliciet geëvalueerd. De modelleringsresultaten laten zien hoe geothermische activiteiten druk- en temperatuurveranderingen teweegbrengen in de producerende reservoirs. Zoals toegelicht in het projectrapport zijn de analytische en semi-analytische beoordelingen van mechanische effecten gebaseerd op verschillende aannames, en leveren daardoor uiteenlopende resultaten op. De analytische benadering is conservatiever en voorspelt reactivering zelfs in het basisscenario (nabij de injectieput). De semi-analytische beoordeling van mechanische effecten, die is gebaseerd op de ‘nucleus-of-strain’-benadering – waarbij ruimtelijke spanningsvariaties worden afgevlakt en differentiële spanningen mogelijk worden onderschat – voorspelt geen afschuifbreuk voor het basisscenario en de gesimuleerde gevallen met een discontinu reservoir. Over het geheel genomen laat het rapport zien dat zelfs binnen de typische Nederlandse operationele beperkingen bepaalde geologische configuraties die een onevenwichtige stroming bevorderen, kunnen leiden tot verhoogde risico’s. Deze houden verband met (i) reactivering van nabijgelegen breuken als gevolg van overinjectie in een van de reservoirs in combinatie met afkoelingseffecten van de geïnjecteerde vloeistof, en (ii) bodemdaling als gevolg van versnelde uitputting van een van de reservoirs. Het onderzoek gaat niet in op het optreden van uitputtingsgerelateerde reactivering van breuken.
Mitigatie maatregelen (RQ3)
Het rapport biedt een reeks mitigerende en preventieve maatregelen tegen de effecten van onevenwichtige vloeistofcirculatie. Deze omvatten ontwerpopties voor boorputten (bijv. zonale isolatie, zwelbare packers), adaptieve operationele strategieën, continue monitoring (druk, temperatuur, stroming, bodemdaling) en het gebruik van bow-tie-analyses. Onder omstandigheden van onevenwichtige vloeistofcirculatie geeft het rapport aan dat de bovenste drukgrens voor geothermische activiteiten moet worden beperkt tot waarden die dicht bij de hydrostatische gradiënt liggen.
Het rapport richt zich op een representatieve Nederlandse context, waarbij rekening wordt gehouden met productie uit twee zones in een klastisch reservoir, en biedt een uitgebreid onderzoek naar de exploitatie van gemengde geothermische reservoirs, inclusief het onderzoek naar reservoirdruk en -temperatuur in een reeks relevante scenario’s. Er wordt speciale aandacht besteed aan omstandigheden die kunnen leiden tot onevenwichtige vloeistofcirculatie. De effecten van onevenwichtige vloeistofcirculatie worden geëvalueerd, met de nadruk op het opnieuw actief worden van breuken en bodemdaling.
Het rapport stelt relevante maatregelen voor om de effecten van onevenwichtige vloeistofcirculatie te beperken. De studie onderstreept het belang van:
• locatiespecifieke karakterisering van het reservoir, inclusief de beoordeling van de continuïteit en connectiviteit van het reservoir,
• een voorzichtige omgang met reservoirs die dun, lateraal discontinu of slecht verbonden zijn,
• monitoringstrategieën voor vroege detectie van onevenwichtige stroming en afwijkingen in druk en temperatuur,
• adaptieve regeling van de activiteiten.
Onder ‘gemengde productie’ wordt verstaan: de gelijktijdige exploitatie van meerdere hydraulisch geïsoleerde reservoirs via één enkele boorput. Deze studie richt zich op de Nederlandse context en biedt een beoordeling van gemengde geothermische productie en de omstandigheden die kunnen leiden tot een onevenwichtige vloeistofcirculatie tussen reservoirs. Het project richtte zich op de analyse van een representatief productiescenario met twee zones voor een geothermisch dubbel in een Nederlandse geothermische omgeving, die overeenkomt met siliciclastische sedimentaire aquifers.
Het benadrukt hoe druk- en temperatuurveranderingen het gedrag in de ondergrond kunnen beïnvloeden, waaronder het opnieuw actief worden van breuken en bodemdaling. De bevindingen onderstrepen het belang van duidelijk omschreven operationele grenzen, een grondige karakterisering van de reservoirs en continue monitoring ter ondersteuning van operationele beslissingen. Het rapport stelt ook relevante maatregelen voor om de effecten van een onevenwichtige vloeistofcirculatie te beperken.
Het consortium heeft volgens het KEM-panel een duidelijke, goed gestructureerde en passende methodologie gehanteerd om de gedefinieerde onderzoeksvragen te beantwoorden.
Op basis van de resultaten van het rapport en de erkende beperkingen van de gebruikte modellen zou verder onderzoek met behulp van geavanceerdere, volledig gekoppelde THM-modellen een volgende stap zijn om nauwkeurigere antwoorden op de onderzoeksvragen te verkrijgen. Dergelijke modellen zouden de interacties tussen druk, temperatuur en gesteentespanningen vollediger in kaart brengen en een verfijndere beoordeling van breukreactivatie voor geselecteerde, relevante scenario’s mogelijk maken.