Keimbildungsgesteuerte Zementation in geothermisch nutzbaren Reservoiren

 

Entwurf und Bewertung technischer Maßnahmen zur Beseitigung von Permeabilitätsbarrieren


Finanziert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Förderkennzeichen: 0327095B

Laufzeit des Projektes 04/2005 – 12/2007

Projektmitarbeiter:

Prof. Dr. C. Clauser
PD Dr. Dr. M. Kühn
Dr. R. Wagner
Dipl.-Geol. R. Meyer
M. Mürmann

Ansprechpartner

R. Meyer

Die Bohrung Allermöhe 1 im Süden Hamburgs ist der zweite in Deutschland bekannte Standort, an dem die geothermische Nutzung des Rhät-Aquifers (Keuper, obere Trias) infolge sekundärer Anhydrit-Zementation nicht möglich ist. Infolge der geringen Durchlässigkeiten in den zementierten Profilabschnitten(Durchschnittspermeabilitäten von etwa 3E-15 m2) wurde in einem Pumptest eineunerwartet niedrigeProduktionsrate von 9 m3/h erreicht, die für den wirtschaftlichen Betrieb einer geothermischen Heizzentrale bei weiten zu niedrig ist (1Zarth 1999). Eine detaillierte Untersuchung der Gesteinseigenschaften des Rhät bei Allermöhe ergab, dass in einigen Profilabschnitten nahezu der gesamte Porenraum mit Anhydrit [CaSO4] zementiert ist (Pape et al. 1998, Abb. 1).

1 Zarth, M. (1999): Results of the Geothermal Energy Project Hamburg-Allermoehe. Proceedings of the European Geothermal Conference Basel 1999.

  Graph von Messergebnissen Urheberrecht: RWTH Aachen

Abbildung 1: Porositäts- und Anhydrit-Log des Contorta-Sandsteins (oberer Rhät) der Bohrung Allermöhe 1, berechnet aus NMR-, Gammadichte- und Gamma-Ray-Logs.

Die Bildung von sekundärem Anhydrit in geothermisch nutzbaren Aquiferen wird am Lehrstuhl für Angewandte Geophysik der RWTH Aachen seit dem Jahr 2000 im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten untersucht und ist auch vorher schon von Prof. Dr. Clauser und seinen Mitarbeitern untersucht worden.

 
Forschungsprojekte zum Thema Zementation in geothermisch nutzbaren Reservoiren:
„Hydraulisches, thermisches und mechanisches Verhalten geothermisch genutzter Aquifere“ 1997 - 2000
„Das Erkennen, Beschreiben und Erklären von Mustern der Permeabilitätsverteilung in zementierten Speichergesteinen mit geophysikalischen Logs, fraktalen Strukturmodellen und gekoppelten numerischen Simulationen“ 05/2000 – 04/2002
„Szenarien der Entstehung von Anhydritzementation in geothermischen Lagerstätten -zuverlässigere Prognosen der petrophysikalischen Reservoireigenschaften und mögliche Maßnahmen zu ihrer Verbesserung“ (http://www.geophysik.rwth-aachen.de/html/anhydrit.htm) 07/2000 – 09/2003
"Keimbildungsgesteuerte Zementation in geothermisch nutzbaren Reservoiren – Entwurf und Bewertung technischer Maßnahmen zur Beseitigung vom Permeabilitätsbarrieren“ 04/2005 – 12/2007

Im Rahmen des derzeit laufenden Projekts wurden am Institut für Erdöl-Erdgastechnik der TU Clausthal Durchströmungsexperimente an Bohrkernen des Bentheimer Sandsteins durchgeführt. Diese brachten die Erkenntnis, dass der Prozess der Anhydritzementation und ihre räumliche Struktur nicht nur von der Porenraumgeometrie, sondern insbesondere durch den Prozess der Keimbildung gesteuert wird. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Porenraum und CaSO4-Lösung wurden hierbei aus petrophysikalischen Daten abgeleitet, die durch Messungen während der Versuche mittels hoch auflösender 4D Computertomographie erfasst wurden.

Ziel des Projekts ist es, mittels numerischer Simulation (Abb. 2) ein tieferes Verständnis der experimentell beobachteten Wechselwirkungen zwischen Porenraumstruktur und Keimbildung zu erreichen. Zu diesem Zweck wird derzeit ein fraktales Perkolationsmodell entwickelt und in ein chemisches Reaktionsmodul von SHEMAT implementiert, mit dem die auf der Kernskala simulierten Prozesse durch upscaling auf Reservoirskala übertragen werden können.

  Graph mit Shemat erzeugt Urheberrecht: RWTH Aachen  

Abbildung 2: Ergebnis einer mit SHEMAT simulierten, zehntägigen Durchströmung eines 2,7 cm dicken und 10,5 cm langen Kernstückes ähnlich dem des Bentheimer Sandsteins. Durchströmungsrichtung von rechts nach links. Das obere Bild zeigt die Permeabilitätsverteilung, das Untere korrespondierend den Gehalt an neu gebildetem Anhydrit. Längenangaben der Achsen in m.


Neben generischen Modellrechnungen werden auch für den Standort Allermöhe spezifische Reservoirmodelle erstellt, anhand derer für eine bestimmte geologische Epoche unter Berücksichtigung der strukturgeologischen Gegebenheiten eine mögliche Anhydritbildung im Rhätsandstein simuliert wird. Diese 2D- und 3D-Simulationen konzentrieren sich auf eine mögliche Anhydritzementation in Verbindung mit episodisch auftretenden Hochtemperaturereignissen, im Rahmen derer heiße Formationswässer aus tiefer liegenden Aquiferen (z.B. Mittlerer Buntsandstein) entlang von tektonisch aktiven Störungen und Kluftsystemen in die Peripherie des Rhätsandsteins aufsteigen (Abb. 3)

  Graph Urheberrecht: RWTH Aachen   Graph Urheberrecht: RWTH Aachen  

Abbildung 3: Ergebnis einer mit SHEMAT durchgeführten 2D-Simulation eines Hochtemperaturereignisses nach ca. 2000 Jahren Simulationszeit. Entlang einer nahezu senkrechten Störung steigt 140 °C heißes Formationswasser in die Peripherie zweier Schichten des Rhätsandsteins auf und erwärmt das ursprünglich 70 °C warme und CaSO4-gesättigte Formationswasser. Vektorpfeile (der Referenzverktor entspricht einer Fließgeschwindigkeit von 50 m/a) zeigen Fließrichtung und -geschwindigkeit in der Störung und der beiden nahezu horizontal lagernden Sandsteine. Das obere Bild zeigt die Temperaturverteilung im Kontaktbereich von Störung und Aquifer. Das untere Bild zeigt jene Bereiche, in denen infolge lokaler Erwärmung Anhydrit (Einheit mol/m3) ausgefällt wurde: Dies ist zum einen ein geklüfteter Bereich innerhalb der thermischen Anomalie und zum anderen der Kontaktbereich zwischen Störung und Aquifer, an dem CaSO4-reiches Formationswasser des Rhät-Aquifers in die thermische Anomalie hineinströmt (Vdarcy ~ 1m/a). Längenangaben der Achsen in m.

Bei Abschluss des Projektes wird somit ein numerisches Werkzeug zur Verfügung stehen, mit dem unter Berücksichtigung petrophysikalischer und geochemischer Parameter sowie der standortspezifischen, strukturgeologischen Situationen die Anhydrit-Zementation in einem lithologisch-faziell inhomogenen Aquifer simuliert werden kann. Somit besteht die Möglichkeit, Prognosen über die Machbarkeit einer Reservoirstimulation (technische Verbesserung der Reservoireigenschaften) zu erarbeiten und somit auch das mit der Errichtung einer geothermischen Heizzentrale verbundene Explorationsrisiko besser zu kalkulieren.

Veröffentlichungen zum Thema:

  • Kühn, M. & Günther, A.(2007): Strat abound Rayleigh convection observed in a 4D hydrothermal reactive transport model based on the regional geological evolution of Allermöhe (Germany).- Geofluids (im Druck)

  • Pape, H., Clauser, C., Iffland, J., Krug, R., Wagner, R., 2005. Anhydrite Cementation and Compaction in Geothermal Reservoirs: Interaction of Pore-Space Structure with Flow, Transport, P-T-conditions, and Chemical Reactions, Int. J. Rock Mechanics and Mining Sciences, 42, 1056-1069, doi:10.1016/j.ijrmms.2005.05.007 Download

  • Wagner, R. Pape, H., Clauser, C., 2004a. Szenarien zur Entstehung von Anhydrit-Zementation - zuverlässigere Prognosen der petrophysikalischen Reservoireigenschaften und mögliche Maßnahmen zu ihrer Verbesserung, Schlussbericht zum Verbundvorhaben Nr. 0327095 im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Angewandte Geophysik, RWTH Aachen Download

  • Wagner, R., Kühn, M., Meyn, V., Pape, H., Vath, U., und Clauser, C. (2005): Numerical Simulation of Pore Space Clogging in Geothermal Reservoirs by Precipitation of Anhydrite. Int. J. Rock Mechanics and Mining Sciences , 42 (7-8), 1070-1081. Doi:10.1016/j.ijrmms.2005.05.008.