Projektbeschreibung

Hintergrund

Erdölfelder in Deutschland (NLfB)

Die Gaz de France Produktion Exploration Deutschland GmbH (GDF-PEG), eine Tochtergesellschaft des französischen Gaz de France – Konzerns, ist in der Aufsuchung und Förderung von Erdgas und Erdöl sowie der untertägigen Erdgasspeicherung tätig. Ihre Aktivitäten in der Exploration und Produktion (E&P) von Erdöl und Erdgas konzentrieren sich u.a. auf das norddeutsche Becken.

Das Erdöl der dort befindlichen Lagerstätten  wird  aus Bohrungen gefördert, die bis zur Lagerstätte abgeteuft sind. Das Erdöl steht in der Lagerstätte unter hydrostatischem Druck und ist entsprechend komprimiert. Nach dem Anbohren dehnt sich das Erdöl aus und fließt eruptiv zutage (Primärförderung).

Erdölförderung mit einer Tiefenpumpe (© IGMC)

Infolge des Nachlassens des Lagerstättendrucks, wird das Öl später mit Tiefenpumpen zutage gefördert, die von übertage über ein Bohrgestänge angetrieben werden (Pferdekopf-Antrieb). Der Lagerstättendruck wird dabei durch das Einpressen von Wasser über Hilfsbohrungen konstant gehalten (Sekundärförderung). Im Lauf dieser Lagerstättenausbeutung steigt der Wasser-Anteil im Fördergut, so dass später in der Regel deutlich mehr Wasser als Erdöl gefördert wird.

Da mit der Primärförderung nur ca. 5% und mit der Sekundärförderung nur bis zu 50% des Erdöls, das sich in der Lagerstätte befindet („oil in place“), gewonnen werden kann, verbleibt ein erhebliches Potential von 10% bis 20% für weitere spezielle lagerstättentechnische Verfahren (Tertiärförderung).

Motivation

An der Tagesoberfläche von Erdöllagerstätten kann es, insbesondere bei der Durchführung sekundärer Fördermaßnahmen und den dadurch hervorgerufenen Druckänderungen in der Lagerstätte, zu Vertikalbewegungen kommen. Im Untersuchungsgebiet, einem Erdölfeld der Gaz de France im westlichen Emsland, werden solche Vertikalbewegungen geringen Ausmaßes durch die Umkehr der Wasserinjektionsrichtung bei der Sekundärförderung erwartet.

Die Bewegungen der Tagesoberfläche können, abhängig von den Lagerstättencharakteristika, zeitlich verzögert und räumlich unterschiedlich stark auftreten. Die differentielle Radarinterferometrie (DInSAR) besitzt das Potential für eine regelmäßige, in kurzen Zeitabständen und unter günstigen Umständen auch flächenhafte Erhebung von Höhenänderungsdaten. Somit besteht ein hohes Interesse daran, diese Methode im Untersuchungsgebiet für die Erfassung von Bodenbewegungen zu erproben. Ein übergeordnetes Ziel für die Anwendung der differentiellen Radarinterferometrie im Bereich von Erdöl-/Erdgaslagerstätten ist es, möglicherweise über die detektierten Höhenänderungen indirekt auf die Veränderungen der Druckverhältnisse im Untergrund zu schließen.

Eine besondere Herausforderung ist in diesem Projekt die Anwendung der differentiellen Radarinterferometrie in einem vorwiegend landwirtschaftlich genutzten und von Vegetation bedecktem Gebiet, welches aufgrund der sich zeitlich stark ändernden Rückstreueigenschaften für die Radarstrahlung, eine flächenhafte Auswertbarkeit für die meisten Zeitspannen unmöglich macht. Aus diesem Grund soll hier der Einsatz von künstlichen Radarreflektoren für die Bestimmung von Höhenänderungen erprobt werden, sowie eine Genauigkeit der Messungen und ein Vergleich mit Nivellementdaten erhoben werden. In diesem Rahmen wird auch das Experiment einer manuellen Anhebung der Radarreflektoren um einen bekannten Betrag durchgeführt.

 

Daten

ENVISAT-Modell

Die Datengrundlage bilden Aufnahmen des Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) Sensors an Bord des europäischen Satelliten ENVISAT. Dieser Sensor arbeitet im C-Band mit einer Wellenlänge von 56 Millimetern bei einer zeitlichen Wiederholrate von 35 Tagen für das gleiche Gebiet. Der mit einem Einfallswinkel von ca. 20° auf das Untersuchungsgebiet blickende ASAR-Sensor sendet dabei Radarstrahlung der genannten Wellenlänge aus und ermittelt die Intensität und den Phasenwert des von der Erdoberfläche zurück gestreuten Signals. Dabei wird eine Bodenauflösung von ca. 20 Metern erreicht.

Seit Projektbeginn im Juni 2006 wurde bisher alle 35 Tage eine Satellitenszene aufgenommen. Als Referenz wurden eigene Nivellementdaten in 2006 und 2007 erhoben.

Einmessung der Höhen der Corner Reflektoren (Nivellement) (© IGMC)

 

Untersuchungsgebiet

Untersucht werden soll der Tagesoberflächenbereich eines aktiven Erdölfeldes des Niedersächsischen Beckens im West-Emsland. Das Gebiet befindet sich unweit der niederländischen Grenze und ist an der Oberfläche sehr stark landwirtschaftlich geprägt.

Die landwirtschaftliche Nutzung und Vegetation im Untersuchungsgebiet führen zu einer starken zeitlichen Änderung der Rückstreueigenschaften für die Radarstrahlung. Eine flächenhafte Auswertung der Höhenänderungsinformation ist damit in großen Bereichen nicht mehr gegeben. Wie das Projekt gezeigt hat, kann jedoch die punkthafte Auswertung zu künstlichen Radarreflektoren erfolgreich durchgeführt werden.

Erdöl Produktion (© Gaz de France)
Stark landwirtschaftlich geprägtes West-Emsland (© NASA World Wind)

 

Einsatz von Corner Reflektoren

Vereinfachte Darstellung von zwei Reflexionen des Radarsignals an den Flächen des Corner Reflektors (© IGMC)

Die hier eingesetzen künstlichen Radarreflektoren (Corner Reflektoren) bestehen aus drei senkrecht aufeinander stehenden Metallflächen, an denen das Radarsignal dreimal reflektiert wird und genau zum Sensor zurück gelangt. Sie weisen dadurch ein charakteristisches und langzeitstabiles Rückstreuverhalten für die vom Satelliten ausgesendete Radarstrahlung auf und stellen sowohl im Radarintensitätsbild eindeutig identifizierbare Punkte dar, als auch für die Gewinnung von Referenzdaten per Nivellement.

Insgesamt wurden zehn Corner Reflektoren für das Projekt am IGMC gebaut und auf den Bohrplätzen der Gaz de France im Untersuchungsgebiet aufgestellt.

Um die Detektierbarkeit einer zuvor bekannten Höhenänderung zu überprüfen, wurde das Experiment einer manuellen Anhebung an den Corner Reflektoren durchgeführt. Im Laufe des Projektes wurden dazu sechs Corner Reflektoren ab einem Zeitpunkt dauerhaft um den Betrag von 9,5 Millimetern angehoben.

Ergebnisse

Während der bisherigen Projektlaufzeit konnten noch keine lagerstättenbedingten Bodenbewegungen im Bereich des Untersuchungsgebietes nachgewiesen werden. Da angenommen wird, dass prognostizierte Höhenänderungen möglicherweise erst mit einem unbekannten zeitlichen Versatz eintreten, wird die Datenaufzeichnung und -auswertung in 2008 vorerst weitergeführt.

Die bisherigen Ergebnisse des Projektes zeigen, dass durch den gezielten Einsatz künstlicher Radarreflektoren, eine Erfassung von Bodenbewegungen in der Größenordnung mehrerer Millimeter, auch in für die Radarinterferometrie nahezu ungeeigneten Gebieten mit hoher zeitlicher Dekorrelation, möglich ist. Die aus den Messwerten abgeleitete Standardabweichung von unter 2 Millimetern kann als Genauigkeit der mit diesem Verfahren ermittelten Höhenänderungen interpretiert werden. Auch die manuell herbeigeführte Höhenänderung konnte mit der differentiellen Radarinterferometrie eindeutig detektiert werden.

Es hat sich gezeigt, dass die Atmosphäre zeitweise starke Einflüsse auf die Methode hat und berücksichtigt werden muss. Dies erschwert derzeit noch ein zeitlich lückenloses Monitoring, da nicht jeder Aufnahmezeitpunkt verwendet werden kann. Dieses Thema ist jedoch aktueller Forschungsgegenstand am IGMC und wird in verschiedenen Lösungsansätzen verfolgt.

Erfolgreicher Einsatz von Corner Reflektoren zur Erfasssung von Bodenbewegungen in einem landwirtschaftlich genutzten Gebiet. Hier der Standort neben einer Erdölförderanlage. (© IGMC)
 

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