Nieuwe inzichten in oorzaken van bodemdaling en aardbevingen dankzij boorkernen uit Groninger gasveld

Olie- en gasproductie uit diepe bodemlagen veroorzaakt verdichting (compactie) van gesteente, wat leidt tot veranderingen in de ondergrond. Aan het aardoppervlak herkennen we dit als bodemdaling, wat, door interactie met al lange tijd bestaande breuken, ook kan leiden tot aardbevingen. Deze processen vinden plaats in het grootste gasveld van Europa, het Groninger veld, met als gevolg een grote impact op de gemeenschap. Geologen van de Universiteit Utrecht zochten in de diepe ondergrond van Groningen naar zichtbare sporen van de mechanismen die compactie veroorzaken. Daarvoor bestudeerden ze boorkernen van de gashoudende laag uit Stedum en Zeerijp, en voerden ze laboratoriumexperimenten uit die de gasproductie simuleerden. Uit de resultaten blijkt dat minuscule kleilaagjes tussen de korrels in het gesteente een grote rol spelen in de compactie van dat gesteente. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in het gezaghebbende tijdschrift Geology.

Zandsteenlagen

‘Het gas zit opgeslagen in zandsteenlagen, diep onder het oppervlak. Wij waren benieuwd naar de veranderingen die zijn opgetreden in dat gesteente tijdens de aardgasproductie uit het Groninger veld en wat dat ons vertelt over de oorzaak van compactie en aardbevingen,’ verduidelijkt geoloog Bart Verberne. ‘Daarvoor analyseerden we een boorkern die in 1965 onttrokken was uit het reservoir, toen er nog maar weinig gas geproduceerd was, en een boorkern uit een in 2015 speciaal door NAM voor onderzoek geboorde put, toen het veld nagenoeg leeg was.’ De boorkernen kwamen uit de regio Loppersum, waar de bodemdaling en de aardbevingen als gevolg van de gasproductie het sterkst zijn.

Compactie in het lab

Daarnaast voerden Verberne en collega’s experimenten uit in het hogedruk en –temperatuurlab van de Utrechtse faculteit Geowetenschappen. ‘In dit laboratorium kunnen we de gaswinning en de compactie van het Groningse gesteente simuleren,’ vult medeauteur Suzanne Hangx aan. ‘Met behulp van geavanceerde apparatuur kunnen we namelijk de omstandigheden in de diepe ondergrond nabootsen.’ Daarvoor gebruiken de geologen stukjes van de oudste boorkern, een stuk gesteente dat nog nauwelijks tot geen gevolgen had ondervonden van de gasproductie. ‘En door die monsters bloot te stellen aan een hoge druk en temperatuur, veroorzaakten we een kunstmatige compactie.’

De rol van kleilaagjes

Zowel in de boorkernen als tijdens de lab-experimenten zagen de onderzoekers dat er breukjes waren opgetreden in de zogenaamde kaliveldspaatkorrels, een type mineralen uit de zandstenen monsters. ‘Maar dat kon niet de verklaring voor compactie zijn. Deze korrels maken namelijk slechts een klein deel uit van het Groninger zandsteen,’ aldus Hangx. ‘De bulk van dit gesteente bestaat uit relatief sterke kwartskorrels. Alleen: daar zagen we juist weer geen zichtbaar effect.’ Maar het Groninger zandsteen heeft nóg een belangrijk bestanddeel: minuscule kleilaagjes die zich tussen de kwartskorrels bevinden. ‘En die kleilaagjes kunnen worden samengeperst, wat weer effect heeft op het zandsteen als geheel.’

Modelleringsstudies

Het onderzoek vond plaats in het kader van een door de NAM gefinancierd project, met als doel een beter begrip van de fysische processen die ten grondslag liggen aan de bodemdaling en aardbevingen in Groningen. De resultaten van het onderzoek van Verberne c.s. worden gebruikt bij modelleringsstudies naar de fysica van compactie, bodemdaling en breukbeweging/seismiciteit.

Artikel

Verberne, B. A., Hangx, S. J. T., Pijnenburg, R. P. J., Hamers, M. F., Drury, M. R., and Spiers, C. J. ‘Drill core from seismically active sandstone gas reservoir yields clues to internal deformation mechanisms’, Geology 49 (2020) https://doi.org/10.1130/G48243.1.