Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMGesteine sind aus verschiedenen Mineralien aufgebaut. Da Lösungs- und Fällungsreaktionen die hydrodynamische Durchlässigkeit und damit den Transport von Chemikalien in Gesteinen verändern, ist die Vorhersage der Auflösungsraten dieser Mineralien für viele geologische Anwendungen von Bedeutung – z.B. für die Ölgewinnung oder die Kohlendioxidspeicherung im Gestein. Im Projekt ResKin (Reaktionskinetik in Reservoirgesteinen) untersuchen wir gemeinsam mit unseren Verbundpartnern die Lösungskinetik von Mineralien und deren Wechselwirkung mit Transportprozessen im Gestein.
Das Vorhersehen von chemischen Reaktionen und deren Kinetik in Reservoirgesteinen steht im Mittelpunkt des ResKin-Projekts. Wir unterstützen mit unseren Softwaretools zur Simulation der Prozesse. Im Bild: Bohrlöcher durch Sandstein.
Das Vorhersehen von chemischen Reaktionen und deren Kinetik in Reservoirgesteinen steht im Mittelpunkt des ResKin-Projekts. Wir unterstützen mit unseren Softwaretools zur Simulation der Prozesse. Im Bild: Bohrlöcher durch Sandstein.
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ResKin – Simulationen von Prozessen im Reservoirgestein
Die gemessenen Auflösungsraten, selbst für das selbe Mineral, variieren in Experimenten – je nachdem ob man auf der Atomaren-, Bohrkern-, oder Feldskala misst – über bis zu zwei Größenordnungen, selbst unter identischen Bedingungen. Dafür werden vier Effekte als Ursachen angenommen:
- der Einfluss der Hydrodynamik der Lösungsflüssigkeiten
- die chemische Variabilität der gelösten Mineralien
- die intrinsische kinetische Variabilität des Lösungsprozesses
- die mechanischen Spannungen im Gestein
Skalenübergreifendes Verständnis der Reaktionskinetik erarbeiten
Das Projekt ResKin hat das Ziel, diese Effekte zu untersuchen und ein Modell zu entwickeln, dass die Kinetik der chemischen Reaktionen im Gestein vorhersagt. Dafür wenden wir verschiedene Modellierungs- und Simulationstechniken auf den jeweiligen Längenskalen an:
Auf der atomaren Skala (nm) kommen kinetische Monte-Carlo-Simulationen zur Untersuchung der Variabilität des Auflösungsprozesses zum Einsatz. Auf der Porenskala (Porenraum- und Mineralmikrostruktur, µm- bis cm-Skala) führen unsere Forschenden reaktive Transportsimulationen durch (Abb. 1). Auf der Bohrkernskala (cm) nutzen wir makroskopische Transportmodelle, die sich mit Experimenten vergleichen lassen. Am Ende koppeln wir durch mathematische Mehrskalenmodellierung die verschiedenen Simulationstechniken miteinander.
Abbildung 1: Konzentrationen von CO2 (a), H+ (b), Ca2+ (c) und
HO (d) während einer reaktiven Transportsimulation in Gesteinsporen.
Abbildung 2: Auflösung von Calzitkristallen (gelb) und Konzentration von H+-Ionen in Gesteinsporen.
Abbildung 3: Lösung eines Zellproblems für die Berechnung effektiver Transportgrößen für die Bohrkern-Skala.
Simulationen mit PoreChem machen Vorhersagen möglich
Mit PoreChem simulieren wir bereits den reaktiven Transport von gelösten Stoffen durch ein poröses Medium. Es gilt aber nun die komplexen chemischen Reaktionen im porösen Gestein zu simulieren – und zwar einschließlich der Auflösungsvorgänge (Abb. 2), bei denen sich der Simulationsbereich während der Simulation ändert. Außerdem müssen Zellprobleme auf der Porenskala zur Berechnung von Transportparametern für die Modelle auf der Bohrkernskala gelöst werden (Abb. 3). Unsere Software PoreChem wurde dafür entsprechend erweitert. Damit ermöglichen unsere Simulationen prädiktive Vorhersagen für Auflösungsprozesse in Reservoirgesteinen.
Porendruck in Gestein simulieren mit FeelMath
Durch Computersimulationen und Bildanalyse erhalten wir neue Einsichten in Prozesse, die im Inneren von Gesteinen ablaufen. Im Projekt ResKin haben wir neben PoreChem zudem unser Analyse-Tool FeelMath erweitert und untersuchen u.a. Porendruckschwankungen. Es dient zur Berechnung effektiver mechanischer und thermischer Eigenschaften von Mikrostrukturen, die durch Volumenbilder oder analytische Beschreibungen gegeben sind.
Digital Rock Physics (DRP) als innovative Technik für die Bohrkernanalyse
Vorherzusehen, wie sich flüssigkeitsgesättigte Gesteine verformen, ist in vielen Anwendungsgebieten inzwischen von großer Bedeutung – z.B. beim Fracking von Gesteinen oder in der Geothermie. Die digitale Gesteinsphysik (Digital Rock Physics/DRP) arbeitet bildbasiert und ermöglicht die Abschätzung der physikalischen Gesteinseigenschaften durch numerische Simulationen anhand von 3D-Scans von Gesteinsproben. Die DRP gilt als innovative Technik zur Simulation von Gesteinseigenschaften, ergänzt Labormessungen und hilft, neue Erkenntnisse über komplexe physikalische Prozesse in heterogenen Materialien zu gewinnen.
Bohrkernprobe
Repräsentatives Volumenelement der Bohrkernprobe
Simulationen unter Berücksichtigung von Porendruck
Traditionell fokussiert sich die digitale Gesteinsphysik besonders auf die Durchströmung des Porenraumes mit Öl und/oder Wasser. In diesem Projekt haben wir unser mikromechanisches Analysetool FeelMath erweitert, um auch den Druck von flüssigkeitsgefüllten Poren auf die Gesteinsmatrix zu berücksichtigen. Diesen Druck nennt man Porendruck. Abhängig von den Randbedingungen des flüssigkeitsgefüllten Porenraums wird die poroelastische Reaktion definiert
- als entwässert (der Porendruck steigt nicht)
- oder als nicht entwässert (der Porendruck steigt, da die Flüssigkeit die Gesteinsprobe nicht verlassen kann)
Im letzteren Fall hängt die Steifigkeit des Gesteins von der Steifigkeit des Gesteinsmaterials und vom Druck der Flüssigkeit ab, welcher einer Kompression der Bohrkernprobe entgegenwirkt. Methodisch haben wir klassische Theorien ergänzt um innovative Techniken der DRP.
Schädigung aufgrund des Porendrucks
Spannungskonzentration aufgrund des Porendrucks
Projektpartner:
- Koordintation: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Forschungsstelle Leipzig, Institut für Ressourcenökologie (Abteilung Reaktiver Transport)
- Universität Bremen, MARUM – Zentrum für marine Umweltwissenschaften (Mineralogie)
- Universität Greifswald, Institut für Geographie und Geologie (Ökonomische Geologie|Mineralogie)
- Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM (Abteilung Strömungs- und Materialsimulation)
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Geowissenschaften (Ingenieurgeologie)
- Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften (Hydrogeochemie)
Projektlaufzeit:
01.07.2017 bis 30.06.2020