FracReact – Wechselwirkungen zwischen Kluft-Hydraulik und reaktivem Transport

Land / Region: Deutschland und nahe Umgebung

Projektanfang: 01.01.2015

Projektende: 01.12.2016

Projektstand: 01.12.2016

Hintergrund:
Die hydraulische Durchlässigkeit von Klüften hat eine hohe Relevanz für die geotechnische Nutzung des tiefen Untergrundes in Deutschland. In einigen Anwendungen wie der nichtkonventionellen Erdgas-Förderung und der Nutzung von Erdwärme in stimulierten geothermischen Systemen (EGS: Enhanced Geothermal Systems) sind Permeabilitäten in Klüften notwendige Voraussetzung. In anderen Bereichen wie der unterirdischen CO₂-Speicherung (CCS: Carbon Capture and Storage), der Abdichtung von Bohrungen oder Endlagerung radioaktiver Abfälle sind diese hingegen als fatal anzusehen. Eine möglichst genaue Kenntnis der zeitlichen Entwicklung der hydraulischen Durchlässigkeit von Klüften zu erlangen, ist daher für einige der wichtigsten aktuellen geowissenschaftlichen Fragestellungen von großem Interesse.

Abb. 1: Kluftströmungsmodell mit Steuerung Quelle: BGR

Durch Prozesse der Mineralfällung und -auflösung kann die hydraulische Durchlässigkeit von Klüften schon über nur kurze Zeiträume signifikant beeinflusst werden. Für beide Fälle existieren technische Möglichkeiten, durch künstlich ausgelöste Minerallösungs- oder -fällungsprozesse eine Erhöhung oder Verringerung von Kluftpermeabilitäten zu erwirken. So sind Mineralausfällungen in Reservoiren der tiefen Geothermie und der nichtkonventionellen Erdgasförderung unerwünscht und es wird eine Erhöhung der Permeabilitäten durch hydraulische und chemische Maßnahmen (z.B. hydraulische Stimulation, Säuerung) angestrebt. Im Kontrast dazu sind Mineralauflösungsprozesse in der Endlagerung, Bohrlochabdichtung und CCS unerwünscht und es wird eine Verringerung der Permeabilitäten durch künstlich ausgelöste Mineralausfällung (z.B. durch Ureolyse) angestrebt.

Laborversuche:
Um die zeitliche Entwicklung und räumliche Verteilung solcher Lösungs- und Fällungsprozesse in Relation zur hydraulischen Strömungssituation (Zonen mit laminarem und turbulentem Strömungsregime) experimentell unter kontrollierten Randbedingungen nachvollziehen zu können, wurde ein Labormodell konstruiert (Abb. 1).

Abb. 2: Versuchsanordnung Quelle: BGR

Das Labormodell besteht aus jeweils einem System zweier hochpräziser Kolbenpumpen und Schaltventile im Zu- und Auslaufbereich einer Kluftprüfzelle (Abb. 2), die bei einem im Auslaufbereich konstant gehaltenen Gegendruck (bis 100 bar) mit im Zulaufbereich konstant gehaltener Fließrate (bis 40 mL/min) durchströmt wird. Durch die Schaltung je zweier Kolbenpumpen im Zu- und Auslaufbereich kann somit bei hohem Druck eine quasi-stationäre Durchströmung der Kluft bis zum maximalen Vorratsvolumen der Wassertanks von 60 L erzeugt werden. Die zeitliche Veränderung der hydraulischen Kluftdurchlässigkeit wird durch Messung der Druckdifferenz und Durchströmungsrate ermittelt. Die Modellkomponenten Zulauf-Wasserreservoir, Pumpen- und Ventil-Systeme sowie Kluftprüfzelle sind in einem Trockenschrank eingebaut (vgl. Abb. 1), können aber teilweise auch

Abb. 3: Prüfkörper mit Deckel und Schrauben Quelle: BGR

modular außerhalb des Trockenschrankes betrieben oder durch einen eigenen, separaten Kontrollkreislauf einzeln gekühlt bzw. beheizt werden. Somit wird die Erzeugung von Temperaturgradienten ermöglicht, die als treibende Kraft für die modellhafte Erzeugung der Mineralfällungs- oder -auflösungsprozesse angesehen werden. Der bisherige Prüfkörper besteht aus einem Ersatzsystem rautenförmig angeordneter Klüfte in einer Edelstahlplatte (Abb. 3). In der ersten Projektphase soll eine künstliche oder natürliche Bruchfläche eines relevanten Gesteins in einem neuen Prüfkörper unter hohem Druck und variablem Strömungsregime mit einer reaktiven Flüssigkeit durchströmt werden, um die Verteilung von Mineralausfällungen in Klüften mit glatter und rauer Oberfläche und in Abhängigkeit von Gesteinsart und Temperaturgradient vergleichen zu können.