Abstract:
Die geotechnische Nutzung des Untergrunds bedingt Veränderungen im komplexen biogeochemischen Equilibrium der geologischen Formation (Bauer et al. 2013). Bei der Injektion von Gasen und Fluiden, wie bei der Gasspeicherung (z.B. CO₂, H₂) oder Geothermie, muss eine hohe Injektionsrate gewährleistet werden. Daher, müssen die Reservoireigenschaften erhalten oder auch optimiert werden. Es wird angenommen, dass mikrobiologische Prozesse die geotechnische Nutzung des Untergrunds aufgrund einer Reduzierung der Permeabilität des Reservoirgesteins beeinflussen können (Jaiswal at al. ... mehr2014; Zettlitzer et al. 2010). Diese mikrobiell bedingten Prozesse können bereits bei der Bohrung und damit vor der eigentlichen Nutzung des Untergrunds ausgelöst werden. Technische Fluide, wie beispielsweise Bohrspülungen, können den bohrlochnahen Bereich, aber auch Kernmaterial und Fluidproben biochemisch beeinflussen (Zettlitzer et al. 2010; Struchtemeyer et al. 2011).
Im Fokus der vorliegenden Studie stehen mikrobiologische Prozesse im tiefen Untergrund von Europas erstem Pilotstandort (Ketzin, Brandenburg) zur geologischen Speicherung von CO₂. Um unkontaminiertes Probenmaterial von den Kernbohrungen zu erhalten, wurden Laborexperimente zur Evaluierung verschiedener Tracer (Fluoreszein, Microspheres und DAPI-markierte Bakterien) durchgeführt. Die Experimente dienten der Bestimmung der Eindringtiefe von Bohrspülungen in erbohrtes Kernmaterial. Die Untersuchungen ergaben, dass Fluoreszein am besten geeignet ist. Daher wurde es anschließend beim Kernen zweier Beobachtungsbohrungen eingesetzt. Die Nachweismethode von Fluoreszein wurde optimiert und ermöglichte die schnelle und einfache Messung mit einer verbesserten Nachweisgrenze von markierter Bohrspülung in Kernmaterial. Darüber hinaus wurde Fluoreszein eingesetzt, um die Konzentration der Bohrspülung während Pump-Tests und Tiefenprobenahmen von Fluiden zu bestimmen.
Die Charakterisierung der autochthonen mikrobiellen Gemeinschaft der Formationsgesteine und Fluide wurde mittels DNA-Fingerprinting-Methoden (16S rRNA Gen) durchgeführt. Die Brunnenfluide der Stuttgart Formation, der Speicherformation, wiesen bedingt durch Bohrspülungsreste, relativ hohe TOC (organischer Gesamtkohlenstoff) Konzentrationen auf. Es wurde eine mikrobielle Gemeinschaft vorgefunden, die typisch für saline Habitate in der Tiefen Biosphäre ist. Die Gemeinschaft bestand maßgeblich aus halophilen und halotoleranten Proteobacteria und Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB). In Gesteinen der Exter Formation, dem Sandstein über dem Deckgebirge, wurden Proteobacteria und Actinobacteria nachgewiesen. DNA-Datenbankabgleiche weisen darauf hin, dass ähnliche Mikroorganismen sowohl in Böden, Süßwasser aber auch in der Tiefen Biosphäre vorkommen.
Kernmaterial und Fluid, das während einer weiteren Bohrung in die Stuttgart Formation gewonnen wurde, war dem eingeleiteten CO₂ mehr als vier, beziehungsweise fünf Jahre lang ausgesetzt. Die in diesen Proben nachgewiesenen mikrobiellen Gemeinschaften unterschieden sich von denen vor der CO₂ Injektion. Insbesondere die genetische Diversität war vergleichsweise niedrig. Darüber hinaus wurde der Einfluss der organischen Bohrspülung auf die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft unter simulierten in-situ Bedingungen untersucht. Im Speziellen wurden die Auswirkungen von Acetat, als Abbauprodukt der in der Bohrspülung beigesetzten Polymere, und die Effektivität von Biozid untersucht. In allen Inkubationsansätzen wurde das Wachstum autochthoner Mikroorganismen stimuliert. Die Ergebnisse bestätigen die mikrobielle Abbaubarkeit der eingesetzten Bohrspülung und verdeutlichen die Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft.
Die Untersuchungen erlauben detailliertere Einblicke in die Kausalkette, welche zur Injektivitätsabnahme einer der Bohrungen in Ketzin beitrug. Einige der nachgewiesenen Mikroorganismen sind in der Lage, Zellulose-Polymere zu hydrolysieren (z.B., Burkholderia spp. Variovorax spp.) und eine signifikante Menge niedermolekularer Säuren, wie beispielsweise Acetat, zu produzieren. Wie durch die Laborexperimente aufgezeigt, nahm das Wachstum von SRB (Desulfotomaculum spp.) durch die Zugabe von Acetat zu. Die daraus resultierende Präzipitation von amorphem Eisensulfid bewirkte vermutlich die Permeabilitätsabnahme im bohrlochnahen Bereich (Zettlitzer et al. 2010). Der beobachtete Injektivitätsverlust an der Pilotanlage zur CO₂-Speicherung verdeutlicht, welche Auswirkungen mikrobielle Prozesse auf die Produktivität und Funktionsfähigkeit geotechnischer Installationen haben können.
Abstract (englisch):
The geotechnical use of the subsurface entails changes of the complex biogeochemical equilibrium of the geological formations (Bauer et al. 2013). When gases or fluids are injected into a reservoir as in the case of gas storage (e.g., CO₂, H₂) or geothermal energy, favorable injectivity properties must be ensured. Therefore, reservoir characteristics need to be maintained or optimized. It is assumed that microbial processes have the potential to influence the geotechnical utilization of the underground by reducing the permeability of the reservoir rock (Jaiswal at al. 2014; Zettlitzer et al. ... mehr2010). These influences were already observed, as a consequence of drilling, before any specific utilization of the underground. Drill mud and other technical fluids are sources of biochemical contamination for the near-well area and also for rock or fluid samples (Zettlitzer et al. 2010; Struchtemeyer et al. 2011).
The present study is focused on microbiological processes in the deep subsurface of Europe’s first CO₂ onshore storage test site, located in Ketzin (Brandenburg, Germany). To obtain pristine rock samples from drilling operations, laboratory experiments were performed evaluating different tracers (i.e., fluorescein, microspheres and DAPI-stained cells) suitable to assess the drill mud penetration depth into rock cores. The investigations indicated that fluorescein is the most suitable tracer and thus it was used during the coring of two observation wells. An improvement of the tracer quantification method speeded up the analysis and enhanced the detection limit. Additionally, the use of fluorescein helped to determine the concentration of drill mud in well fluid samples acquired during subsequent pump tests and downhole samplings.
The microbiological characterization of formation rocks and fluids performed by genetic fingerprinting analyses (16S rRNA gene), provided insights into the autochthonous microbial community. Well fluid of the storage reservoir, the Stuttgart Formation, was characterized by a relatively high total organic carbon (TOC) content derived from residual drill mud. The formation was inhabited by a microbial population typical of a saline deep biosphere environment. The microbial community was dominated by halophilic/halotolerant Proteobacteria and sulfate reducing bacteria (SRB). In rocks of the Exter Formation, the sandstone layer above the caprock, Proteobacteria and Actinobacteria were identified. Database analyses indicated that the detected microorganisms are typically found in soil, fresh water and deep subsurface habitats.
The coring of another deep well provided Stuttgart Formation rock cores that had been partly in contact with the injected CO₂ for more than four years. Furthermore, well fluid from the injection well, which was obtained through downhole sampling after five years of injection, was analyzed. The microbial community was relatively poor in diversity and differed from the population that was described before CO₂ injection. In addition, the response of the autochthonous microbial community to organic drill mud exposure was investigated under simulated in-situ conditions. The influence of acetate as a biodegradation product of drill mud polymers and the effectiveness of biocide were analyzed as well. In all setups, autochthonous microorganisms were stimulated in growth, confirming the biodegradability of drill mud and its influence on the microbial community.
The results permitted to get insights into the causal chain which induced an injectivity loss observed in the near-well area of a well intended for injection in Ketzin. Most likely, microorganisms (e.g., Burkholderia spp., Variovorax spp.) biodegraded organic components of the drill mud (e.g., cellulose polymers) and produced a significant amount of low molecular weight acids such as acetate. As demonstrated through the laboratory experiments, the addition of acetate supported the growth of SRB (i.e., Desulfotomaculum spp.). Subsequently, the microbial induced precipitation of amorphous iron sulfide caused a reduction of permeability in the near-well area (Zettlitzer et al. 2010). The injectivity loss incident at the CO₂ storage site demonstrated the immense influence that microbial-mediated processes can have on the productivity and reliability of geotechnical installations.
