3D structural and probabilistic modelling of geothermal reservoir horizons in the Northern Eifel and its foreland

Single-realisation approaches to represent the structures of the subsurface without presenting spatial uncertainties lead to a misjudgement of exploration risk. In this contribution, we present a case study from a specific area in Western Germany outlining the necessity of a multi-realisation approach. The Northern Eifel and its foreland have become a focus of geothermal energy exploration in the state of North Rhine-Westphalia, Germany, to replace fossil fuel-based energy systems with sustainable and climate-neutral systems. However, information on deeper potential geothermal reservoir horizons (Lower Carboniferous Kohlenkalk carbonates, Upper Devonian Condroz Group sandstones, Upper/Middle Devonian Massenkalk carbonates) is sparse and therefore highly uncertain. With this study, we aim to provide a base case regional structural geological model with the spatial distribution of 14 stratigraphic units and associated vertical spatial uncertainties through probabilistic modelling. This multi-realisation approach contrasts previous attempts at imaging the subsurface in the region, where only a single model realisation and no uncertainty analysis have been performed. The models are built using opensource Python packages for geographical data processing, implicit structural geological modelling, and spatial uncertainty quantification (GemGIS and GemPy). Surface and subsurface data, e.g., maps, well data, structural field measurements, and conceptual constraints are used as input data for the structural models. The results reveal the spatial distribution of the stratigraphic units within the Palaeozoic Aachen Foreland Fold-and-Thrust Belt and for the first time the absolute vertical spatial uncertainties of the local geothermal reservoirs following the multiple-realisation approach. The base case model suggests that reservoirs are present up to a depth of approximately 2,250 m with absolute vertical uncertainties up to 900 m. Additionally, a first estimation of the technical geothermal potential was performed using a geothermal doublet estimation method. For the Massenkalk, 3.9 to 11.7 MW can be expected according to the calculations while 4.6 to 6.4 MW can be expected for the Kohlenkalk carbonates and Condroz Group sandstones, respectively. The presented structural model is so far the largest (area-wise) and most detailed model in this area. The depth distributions can be used for drilling prognosis or the planning of further exploration. The big advantage of the implicit modelling approach in comparison to the manually constructed structural geological models (explicit modelling) is that the 3D geological model and the uncertainty predictions, as well as the subsequent analyses, can be updated automatically when new information becomes available during future drilling and seismic campaigns. This direct integration and updating is an important contribution to firstly account for a wider range of geological uncertainties by considering multiple realisations and for subsequent geological risk assessment during geothermal exploration.

Die Verwendung von nur einem Modell zur Abbildung der Strukturen des Untergrundes ohne Angaben von Unsicherheiten führt zu einer inadäquaten Einschätzung des Fündigkeitsrisikos. Im Folgenden stellen wir nun eine Studie aus einem ausgewählten Gebiet in Westdeutschland vor, die die Notwendigkeit von mehreren Modellen zur Abbildung der Strukturen im Untergrund verdeutlicht. Die Nördliche Eifel und ihr Vorland ist in den letzten Jahren in den Fokus für die Exploration und Förderung von geothermischer Energie innerhalb von Nordrhein-Westfalen gerückt. Hierbei sollen bisher fossil betriebene Energiesysteme (z. B. Kohlekraftwerk Weisweiler) mit nachhaltigen und klimaneutralen Energiesystemen ersetzt werden. Allerdings sind Daten zum Untergrund und zu den potenziellen geothermischen Reservoiren (Kohlenkalk des Unterkarbons, Condroz-Gruppe aus dem Oberdevon, Massenkalk aus dem Ober-/Mitteldevon) spärlich vorhanden und unterliegen großen Schwankungen. In dieser Studie erstellen wir nun ein regionales Strukturmodell und stellen mit Hilfe probabilistischer Geomodellierung die räumliche Verteilung von 14 stratigraphischen Einheiten und deren vertikalen räumlichen Unsicherheiten dar. Die Erstellung von mehreren Modellen unterscheidet sich somit von vorherigen Studien, die nur ein einzelnes Modell und keine räumlichen Unsicherheiten präsentiert haben. Die Modelle wurden mit den frei verfügbaren Python-Paketen GemGIS und GemPy erstellt. Ersteres dient dabei der Prozessierung von geographischen Daten und Letzteres der impliziten strukturgeologischen Modellierung und räumlichen Unsicherheitsanalyse. Oberflächendaten und Daten aus dem Untergrund wie Kartendaten, Bohrungsdaten, Einfallsmessungen im Feld und konzeptionelle Annahmen wurden als Eingangsdaten herangezogen, um die Modelle zu erstellen. Die Modellierungsergebnisse illustrieren die räumliche Verteilung der verschiedenen stratigraphischen Einheiten innerhalb des paläozoischen Falten- und Überschiebungsgürtels im Raum Aachen. Zudem wurden im Rahmen dieser Studie zum ersten Mal die absoluten vertikale räumlichen Unsicherheiten der lokalen geothermischen Reservoire mit in Betracht gezogen. Das Basismodell stellt geothermische Reservoire in einer Tiefe von bis zu 2.250 m dar. Die probabilistische Modellierung zeigt absolute vertikale räumliche Unsicherheiten von bis zu 900 m. Die Ermittlung der geothermischen Entzugsleistungen einer Dublette ergeben für den Massenkalk Werte von 3,9 bis 11,7 MW und für den Kohlenkalk und die Condroz-Gruppe 4,6 bis 6,4 MW. Das hier vorgestellte Model ist das bis dato flächenmäßig größte und detaillierteste Modell des Aachener Raums. Die vorgestellten Tiefenverteilungen können für etwaige Bohrplanungen oder weiterführende Erkundungsmaßnahmen verwendet werden. Der größte Vorteil der impliziten strukturgeologischen Modellierung ist die automatische Aktualisierbarkeit des Modells so bald neue Daten, wie Bohrungsdaten oder tiefenmigrierte Seismikdaten, vorhanden sind. Dies unterscheidet diesen Ansatz von den meist manuellen Ansätzen zu Erstellung von nur einem Strukturmodell (explizite Modellierung), deren Aktualisierung oft zeitaufwendig sein kann. Dies erlaubt auch eine einfache Wiederholung der Unsicherheitsanalyse. Der hier vorgestellte Ansatz liefert wertvolle Informationen über die möglichen strukturellen Gegebenheiten im Untergrund und erlaubt somit eine bessere Einschätzung des geologischen Risikos zur Erkundung von geothermischen Systemen.