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Detection of Reservoir Pressure related Surface Movements by Satellite Based Radar Interferometry

Projektbeschreibung

An der Tagesoberfläche von Erdöllagerstätten kann es, 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, wurden solche Vertikalbewegungen geringen Ausmaßes durch die Umkehr der Wasserinjektionsrichtung bei der Sekundärförderung erwartet. Das Gebiet befindet sich unweit der niederländischen Grenze und ist an der Oberfläche sehr stark landwirtschaftlich geprägt (siehe Abbildung).

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 in diesem Projekt ist die Anwendung der differentiellen Radarinterferometrie in einem vorwiegend landwirtschaftlich genutzten und von Vegetation bedecktem Gebiet, da zeitlich sich stark ändernde Rückstreueigenschaften eine flächenhafte Auswertbarkeit für die meisten Zeitspannen unmöglich macht. Aus diesem Grund soll hier der Einsatz von permanent rückstreuenden, künstlichen Radarreflektoren für die Bestimmung von Höhenänderungen erprobt werden, sowie durch Vergleich mit Nivellementsdaten überprüft werden. Darüber hinaus ergab sich die Möglichkeit, in einem Experiment durch eine manuelle Anhebung der Radarreflektoren um einen bekannten Betrag einen Soll-Ist – vergleich durchzuführen.

Daten

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 Einfallswinkel beträgt für das Untersuchungsgebiet ca. 20° und die Bodenauflösung ca. 20 Meter.

Ab Juni 2006 konnte alle 35 Tage eine Satellitenszene aufgenommen werden. Für vergleichende Untersuchungen wurden durch ein Team des IGMC in 2006 und 2007 Nivellements durchgeführt und damit die Höhen der Corner-Reflektoren und ihre Höhenänderungen bestimmt.

Einsatz von Corner Reflektoren

Die eingesetzten und vom IGMC gebauten künstlichen Radarreflektoren (Corner Reflektoren) bestehen aus drei senkrecht aufeinander stehenden Metallflächen, an denen das Radarsignal dreimal reflektiert wird und 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 bekannten Höhenänderung (Sollwert, wahrer Wert) mit der Radarinterferometrie zu überprüfen, wurden im Laufe der Zeitreihe sechs Corner Reflektoren dauerhaft um einen Betrag von 9,5 Millimetern definiert angehoben.

Ergebnisse

Während der zunächst geplanten Projektlaufzeit (2006 – 2007) konnten keine lagerstättenbedingten Bodenbewegungen im Bereich des Untersuchungsgebietes signifikant nachgewiesen werden. Da angenommen wurde, dass prognostizierte Höhenänderungen möglicherweise erst mit einem unbekannten zeitlichen Versatz eintreten, erfolgte eine Verlängerung der Datenaufzeichnung und -auswertung in 2008.

Die publizierten Ergebnisse des Projektes zeigen, dass durch den Einsatz künstlicher Radarreflektoren  auch in für die Radarinterferometrie nahezu ungeeigneten Gebieten mit hoher zeitlicher Dekorrelation eine Erfassung von Bodenbewegungen in der Größenordnung mehrerer Millimeter 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 herbeigeführten Höhenänderungen an sechs Radarreflektoren konnte mit der differentiellen Radarinterferometrie eindeutig detektiert werden.

Es hat sich aber auch gezeigt, dass zeitweise die Atmosphäre starke Einflüsse auf die Methode ausübt und berücksichtigt werden muss.

Gesamtleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch

Team IGMC:     Dipl. Geol. Michael Schäfer

                            Dipl. Geol. Tanja Schäfer

                          

Projektpartner

Laufzeit: 01.04.2006 - 31.10.2010

Veröffentlichungen:

SCHÄFER, M., SCHÄFER, T., BUSCH, W. & DIETZEL, H.-J. (2008): Verwendung von Radarsatellitendaten zur Detektion von Höhenänderungen über einer Erdöllagerstätte. − In: Erdöl Erdgas Kohle, 124. Jg., Heft 11, S. 477-481.

Schäfer, T., Schäfer, M., Busch, W., Dietzel, H.-J. (2008):
Einsatz der differentiellen Radarinterferometrie zur Erfassung von Bodenbewegungen im Bereich einer Erdöllagerstätte im westlichen Emsland. In: Schriftenreihe des Institutes für Markscheidewesen und Geodäsie an der Technischen Universität Bergakademie, Heft 2008-1, S. 66-74, 9. Geokinematischer Tag, 8.-9. Mai 2008, Freiberg.