Influence of drilling fluids and long-term CO₂ exposure on the microbial community inhabiting rock formations – A case study from the Ketzin site

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. 2014; 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

Influence of drill mud on the microbial communities of sandstone rocks and well fluids at the Ketzin pilot site for CO_{2} storage

At a pilot site for CO_{2} storage in Ketzin (Germany), a drastic decrease in injectivity occurred in a well intended for injection. This was attributed to an obstruction of the pore throats due to microbial degradation of the organic drill mud and subsequent iron sulfide (FeS) precipitation in the highly saline brine (240 g L^{-1}). To better understand the biogeochemical processes, the response of the autochthonous microbial community to drill mud exposure was investigated. Pristine cores of two aquifers with different salinity were incubated under simulated in situ conditions (50 bar, 40 ^{\circ}C and 45 bar, 25 ^{\circ}C, respectively) and CO_{2} atmosphere. For the first time, rock cores obtained from the CO_{2} plume of the storage formation were investigated. The influence of acetate as a biodegradation product of drill mud polymers and the effectiveness of a biocide were additionally tested. Increased microbial diversities were observed in all long-term (8-20 weeks) incubations, even including biocide. Biofilm-like structures and small round-shaped minerals of probable microbiological origin were found. The results indicate that the microbial community remains viable after long-term CO_{2} exposure. Microorganisms hydrolyzing cellulose polymers (e.g., Burkholderia spp., Variovorax spp.) biodegraded organic components of the drill mud and most likely produced low molecular weight acids. Although the effects of drill mud were less strong as observed in situ, it was demonstrated that acetate supports the growth of sulfate-reducing bacteria (i.e., Desulfotomaculum spp.). The microbial-induced precipitation of amorphous FeS reduced the injectivity in the near-well area. Therefore, when using organic drill mud, the well must be cleaned intensively to minimize the hazards of bacterial stimulation

Comparison of the microbial community composition of pristine rock cores and technical influenced well fluids from the Ketzin pilot site for CO_{2} storage

Two geological formations at the CO_{2} storage pilot site in Ketzin (Germany) were geochemically and microbiologically characterized to further evaluate changes resulting from CO_{2} injection. Well fluids were collected from both Stuttgart (storage formation, ~650 m depth) and Exter Formations (~400 m depth, overlying the caprock) either through pump tests or downhole samplings. Rock samples were retrieved during a deep drilling into the Exter Formation and primarily comprised quartz, ferrous dolomite or ankerite, calcite, analcime, plagioclase and clay minerals, as determined through X-ray diffraction analyses. In the rocks, the total organic carbon (TOC), which potentially contributes to microbial growth, was mostly below 1000 mg kg^{-1}. The geochemical characterization of fluids revealed significant differences in the ionic composition between both formations. The microbial characterization was performed through fluorescence in situ hybridization and 16S rRNA gene fingerprinting. In the fluids obtained from the Stuttgart Formation, the microbial activity was affected by the relatively high TOC, introduced by the organic drill mud. The total cell counts were approximately 106 cells mL^{-1}. The microbial community was characteristic of a saline deep biosphere environment enriched through increased carbon availability, with sulfate-reducing bacteria as the most abundant microorganisms (up to 60 % of total cells). Species belonging to halophilic/halotolerant Proteobacteria and Firmicutes were primarily detected. In Exter Formation rocks, Proteobacteria and Actinobacteria were detected. These data provide an explicit reference to further evaluate environmental changes and community shifts in the reservoir during CO_{2} storage and provide information for evaluating the storage efficiency and reliability