Reaktive Reservoirsysteme – Lösung und Fällung von Salzen und die Auswirkungen auf die hydraulischen und mechanischen Gebirgseigenschaften - ReSalt
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis des zeitlichen Verhaltens kluftdominierter Reservoire sowie der Interaktion zwischen chemischer Zusammensetzung des Reservoirfluids und den physikalischen Randbedingungen des Reservoirs (z.B. Druck und Temperatur) in Abhängigkeit zum Reinjektions- und Förderdruck zu erlangen. Die Arbeitsergebnisse sollen die Prognosemöglichkeiten und die verfahrenstechnische Beherrschbarkeit des Reservoirverhaltens verbessern. Dabei spielt die Analyse und Beurteilung der Permeabilitätsentwicklung bei variierenden p/T-Bedingungen eine zentrale Rolle. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Bewertung der Permeabilität von geklüfteten Reservoiren und deren Änderung durch thermische, mechanische und chemische Wechselwirkungen. Die dazu nötigen experimentellen, analytischen und numerischen Untersuchungen erfolgen anhand von Modellsystemen und Referenzmaterialien. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen erlauben die Parametrisierung und Validierung numerischer Modelle, welche letztlich durch ebenfalls zu entwickelnde Skalierungsverfahren eine Übertragung auf komplexe Reservoirsysteme ermöglichen.
Die Permeabilität von natürlichen wie auch künstlich erzeugten Rissen kann durch verschiedenste Prozesse beeinflusst werden. Daher kann die nachhaltige Produktion und somit Energieerzeugung von z.B. stimulierten Geothermiereservoiren gefährdet sein. Die mechanische wie auch die chemische Beeinflussung solcher Riss-Matrix-Systeme durch Laboruntersuchungen und die Messung der Änderung der Risspermeabilität ist daher ein Ziel des Teilprojektes. Die Versuchsreihen schließen neben einer Änderung der hydraulischen Durchlässigkeit von Rissen durch chemische und mechanische Wechselwirkung auch die Veränderung der Permeabilität durch die Anpassung des Porendrucks mit ein. Des Weiteren werden innovative Versuchsaufbauten entwickelt, mit denen Zugrisse unter Scherspannung relativ versetzt und auch reine, probenparallele Scherrisse getestet werden können. Die bisher eher vernachlässigte Rissgeometrie wird als wichtiger Faktor bei den Versuchen mittels Oberflächenmessungen evaluiert. Reaktive Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen können zu wesentlichen Durchlässigkeitsveränderungen in Reservoiren führen. Dies gilt insbesondere, wenn bei der geothermischen Nutzung des Untergrunds starke Druck-, Temperatur- und Salinitätsgradienten induziert werden. In diesem Rahmen ist die Fällung von Mineralen in Gestein vom verfügbaren Porenraum abhängig und kann mithilfe von Laborexperimenten hinsichtlich der chemischen Wechselwirkung quantifiziert werden und durch angepasste hydrochemische Kopplungsmodule mittels Modellierung validiert werden. Hinsichtlich geklüfteter Gesteine gibt es entsprechende Kopplungsmodule bisher nicht. Aus diesem Grund ist das wesentliche Ziel die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur Quantifizierung von Lösungs- und Fällungsreaktionen in geklüfteten Gesteinen. Die Ergebnisse hinsichtlich reaktiver Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen und der daraus resultierenden Änderung der hydraulischen Durchlässigkeit sollen genutzt werden, um die maßgeblichen Prozesse zu quantifizieren. Das daraus resultierende Prozessverständnis liefert die Grundlage eines im Vorhaben weiter zu entwickelnden Skalierungsverfahrens welches die Prozesse mithilfe von Simulationen auf die Reservoirskala übertragen kann. Im Ergebnis erfolgt auf dieser Grundlage die Bewertung der Entwicklung stimulierter Reservoire in Raum und Zeit.
Um dieses Ziel zu erreichen, sind folgende Arbeitsschritte geplant:
- Auswahl, Beprobung, Präparation sowie physikalische und chemische Charakterisierung relevanter Reservoirgesteine/Reservoirgesteinsanaloga.
- Durchströmungsexperimente mit definierten Reservoirfluiden an komplementären Thermo-Triaxial-Anlagen unter kontrollierten p/T-Reservoirbedingungen und Analyse der Änderung des Fluidchemismus und der Gesteinsdeformation.
- Quantifizierung der aus Lösungs-Fällungs-Reaktionen resultierenden Änderungen der Gesteinseigenschaften mit besonderem Augenmerk auf reaktive und mechanisch induzierte Veränderungen der hydraulischen Rissleitfähigkeit.
- Komplementäre Charakterisierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Porenfluide im Verlauf der Experimente.
- Mikrostrukturelle Analyse vor und nach Belastung und Durchströmung in der Thermo-Triaxial-Anlage. Basierend auf der Kluft-Matrix-Geometrie des Gesteins, die mittels Computertomographie (Universität Mainz), Quecksilberporosimetrie und Dünnschliffauswertung (GFZ) bestimmt wird, soll eine 3D-Modellierung des Kluft-Matrix-Systems erfolgen.
- Thermo-Hydro-Mechanisch-Chemisch (THM-C) gekoppelte Modellierung auf Probenskala zur Analyse und Generalisierung der Einflüsse auf die Reservoireigenschaften, ausgehend von Parameterveränderungen.
- Skalierung von Kluft- und Risssystemen sowie der auslösenden und daraus folgenden geomechanischen und geochemischen Prozesse vom Poren- und Labormaßstab auf die Reservoirskala.
Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt sind direkt übertragbar auf industrielle Anwendungen und dienen dort der weiteren Entwicklung. So wird gewährleistet, dass die Entwicklung der Tiefen-Geothermie in Deutschland nachhaltig und langfristig ausgebaut werden kann.
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - BMWi
Laufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020
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