Labor für Gesteinsphysik
Die Schwerpunkte unserer Forschungsarbeiten resultieren aus der zunehmenden Nutzung des unterirdischen Raums zur geothermischen Energiegewinnung/ -speicherung, zur geologischen Gasspeicherung (CO2, H2). Dies erfordert nicht nur die Bestimmung petrophysikalischer Zielparameter sondern bedarf einer spezifischen Abschätzung der Auswirkung von anthropogen-induzierten Fluid-Gesteinswechselwirkungen auf die langfristige Entwicklung der hydraulischen und mechanischen Eigenschaften geologischer Reservoire. Dazu führen wir Experimente unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen durch, die den in situ Bedingungen während der Reservoirnutzung entsprechen. Hierfür stehen uns verschiedene temperierbaren Druckbehälter (s.u.), ausgestattet mit entsprechender Meßsensorik, zur Verfügung, die in enger Zusammenarbeit mit der GFZ-Hochdruckwerkstatt größtenteils selbst entwickelt wurden.Die Versuchsanlagen decken verschiedene Druck- und Temperaturbereiche von 10 MPa - 140 MPa ab, wobei wir Lagerstättentemperaturen von -20 °C bis 550 °C simulieren können.
Multiparameter-Langzeit-Durchströmungsanlage (MuSPIS)
Ziel:
Kontrollierte Laboruntersuchung der Permeabilitätsentwicklung in Langzeitdurchströmungsversuchen unter simulierten Druck- und Temperatur-Bedingungen.
Versuchsaufbau:
Die Durchführung der Experimente erfolgt in zwei Multiparameter–Langzeitdurchströmungsanlagen (MuSPIS: „multiple sample production and injection simulator“), die ausgelegt sind auf eine maximale Temperatur von 200 °C, einen lithostatischen Druck von 140 MPa, einen Porendruck von 50 MPa, eine Fließrate von etwa 15 ml/h und eine Versuchsdauer von mindestens 4 Wochen. Onlinemessungen der Permeabilität, der elektrischen Leitfähigkeit des Porenfluids und dessen pH-Wert geben Auskunft über die Dynamik der Gesteins-Fluid-Wechselwirkungen. Die durch die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen verursachten Änderungen der Ultraschall – Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit sowie des spezifischen elektrischen Widerstands in einer 4-Elektroden-Anordnung werden ebenfalls während eines Durchströmungsexperiments erfasst.
Das gesamte Fluidsystem, einschließlich eines Vorrats von 10 l, kann zur Stabilisierung der Fluide temperiert und unter Druck gesetzt werden. Es erlaubt deshalb auch die Berücksichtigung gelöster Gase und die Untersuchung von Fluid/Gas-Gemischen. Weiterhin kann mit MuSPIS durch Produktion aus einer ersten- und Injektion in eine zweite Gesteinsprobe ein Fluidkreislauf im Labor simuliert werden, wie er in Dublettensystemen zur geothermischen Stromerzeugung auftritt.
Experimentelle Simulation von Reservoir-Prozessen
LARS (LArge Reservoir Simulator)
LARS ist ein großvolumige Versuchsapparatur, in der unter definierten p-T-Bedingungen anthropogen induzierte aber auch natürlich ablaufende Prozesse im Labor untersucht werden können. Die Sedimentprobe besitzt einen Durchmesser von 0.45m und eine Länge von 1.35m, so dass sich sowohl „Modellbohrlöcher“ zur Injektion oder Produktion von Fluiden als auch verschiedenen Sensoren problemlos in der Probe unterbringen lassen.
Die Apparatur wurde gemeinsam mit dem Bereich 4.2 im Rahmen der 1. Förderphase des SUGAR-Projekts entwickelt und aufgebaut. Ziel des Projekts war der Test von innovativen Produktionsmethoden zur Förderung von Methan aus Methanhydrat (Schicks, J. M., Spangenberg, E., Giese, R., Steinhauer, B., Klump, J., & Luzi, M. (2011). New approaches for the production of hydrocarbons from hydrate bearing sediments. Energies, 4(1), 151-172.).
Für den Test solcher Methoden musste im Labor unter möglichst naturnahen Bedingungen Methanhydrat im Porenraum einer Sandprobe aus im Wasser gelösten Methan erzeugt werden (Spangenberg, E., Priegnitz, M., Heeschen, K., & Schicks, J. M. (2014). Are Laboratory-Formed Hydrate-Bearing Systems Analogous to Those in Nature?. Journal of Chemical & Engineering Data, 60(2), 258-268.).
Für das Monitoring der in der Probe ablaufenden Prozesse wurde in 2. SUGAR-Projektphase eine ERT (electrical resistivty tomography) mit 375 Elektroden integriert (Priegnitz, M., Thaler, J., Spangenberg, E., Rücker, C., & Schicks, J. M. (2013). A cylindrical electrical resistivity tomography array for three-dimensional monitoring of hydrate formation and dissociation. Review of Scientific Instruments, 84(10), 104502). Mit Hilfe der ERT ist es möglich, zwischen elektrisch leitenden (Porenwasser) und nichtleitenden Phasen (Methanhydrat, Gas, …) zu unterscheiden.
Es können in LARS sowohl die Prozesse der Bildung von Hydratlagerstätten wie auch deren Zersetzung durch unterschiedliche Produktionsmethoden systematisch untersucht werden.
System für experimentelle Petrophysik - SEPP
Die Messung der physikalischen Eigenschaften von Gesteinen unter simulierten “in-situ”-Bedingungen im Labor ist entscheidend für eine umfassende Charakterisierung natürlicher geologischer Reservoire. Die Langzeitdurchströmungsapparatur SEPP besteht aus insgesamt 6 temperierten Öldruckkammern inklusive Probenaufbauten, die kombinierte Messungen von P- und S-Wellengeschwindigkeit, komplexer elektrischer Leitfähigkeit (leckstromfreie 4 Pol-Messungen) und Permeabilität an Gesteinszylindern (d = 25/ 30 mm, lmax = 60 mm) erlauben. Wird zwischen Probe und unterem Meßkopf zusätzlich eine hydrophile poröse Membran eingesetzt, kann der Aufbau auch zur Bestimmung von Kapillardruckkurven (drainage/ imbibition) verwendet werden. Probenhalter/ Messköpfe aus Hastelloy C276 ermöglichen den Einsatz von stark korrosiven Porenflüssigkeiten wie Solen und schwachen Säuren. Zusätzlich ist in den unteren Verschlußstopfen des Druckbehälters ein hydraulischer Stempel integriert, mit dem die zu untersuchende Probe unter bi-axialen Spannungsbedingung gesetzt werden kann.
Die Druckbehälter sind für einen maximalen Umschließungsdruck von 60 MPa bei einer Arbeitstemperatur von 150 °C ausgelegt und ermöglichen somit Experimente unter simulierten Bedingungen von Untergrundspeichern in 1000 – 3000 m Tiefe. Generell können Testbedingungen in einem Temperaturbereich von -20 bis 200 °C (bei entsprechend niedrigerem Umgebungsdruck) angelegt werden. Zur Temperierung sind die Druckbehälter entweder mit einem Kühlmantel oder einer ölgefüllten Heizmanschette ausgestattet. Das Porenfluidsystem für Langzeitdurchströmungsversuche ist für einen maximalen Porendruck von 40 MPa dimensioniert. Zur Durchführung von Kapillardruckexperimenten kann das Injektionssystem durch eine Verdränger-Spindelpumpe (pmax = 30 MPa, Tmax = 150°C) ersetzt werden.
FLECAS-HT
FLECAS-HT ist ein einzigartiges Durchflusssystem, das die gleichzeitige Messung von Permeabilität und elektrischem Widerstand (koaxiale 4-Elektroden-Anordnung) an Gesteinszylindern mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 75 mm bei Temperaturen von bis zu 500 ° ermöglicht Derzeit kann FLECAS-HT mit einem maximalen Umschließungsdruck (Ar) von 40 MPa und einem Porenfluiddruck von 25 MPa betrieben werden. Aufgrund der korrosiven Natur wässriger Hochenthalpiefluide muss die Probe mit einem Goldrohr gekapselt werden.
- Langzeitdurchflussexperimente (Wochen bis Monate) bei simulierten Lagerstättenbedingungen
- Einfluss chemischer Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen auf hydraulische und elektrische Gesteinseigenschaften
- Einfluss von Phasenübergängen (flüssig fest/flüssig gasförmig) auf physikalische Gesteinseigenschaften
Hochtemperatur-Fluidleitfähigkeitszelle
Die Hochtemperatur-Fluidleitfähigkeitszelle ist eine Durchströmungsanlage, die es erlaubt, die elektrische Leitfähigkeit hochkorrosiver wässriger Fluide in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zu bestimmen. Bisher wurde die Anlage v.a. zur Untersuchung geothermischer Hochtemperatur-Reservoire bei Temperaturen von bis zu 425°C und Fluiddrücken bis 350 bar eingesetzt. Neben der Messung der intrinsischen Fluideigenschaften ist der Einfluß von Fluid-Gesteinswechselwirkungen bei überkritischen Bedingungen von besonderem Interesse. Da die meisten druckfesten Stähle eine Langzeitexposition mit überkritischem Wasser nicht korrosionsfrei standhalten, wurde der Reaktorbereich mit Korundkeramik ausgekleidet. Die Temperatur im Durchflußreaktor wird mittels eines Pt/PtRh-Thermoelements im Inneren der Meßzelle kontrolliert, in die zusätzlich je zwei Strom- und Potentialelektroden zur Messung komplexer elektrischer Leitfähigkeiten integriert sind. Der Elektrodenabstand kann zwischen 25 und 130 mm variiert werden und ermöglicht so das zusätzliche Einbringen von Feststoffen in die Meßzelle zur Durchführung reaktiver Durchflußexperimente.
Permeameter
Einer der wichtigsten Reservoirparameter ist die Permeabilität, die die Fähigkeit einer Flüssigkeit definiert, durch ein poröses Medium zu fließen. In unseren Laboren stehen verschiedene Aufbauten zur Verfügung, um die Permeabilität bei verschiedenen pT-Bedingungen zu bestimmen. Die Probengrößen sind standardmäßig (D/L) 25 mm/50 mm bzw. 30 mm/40 mm. Die Permeabilität wird grundsätzlich stationär (Darcy bzw. Darcy-Klinkenberg) gemessen, es besteht aber auch die Möglichkeit niedrige Permeabilitäten mit Hilfe des instationären Druckpuls-Verfahrens zu bestimmen. Messbare Permeabilitäten liegen im Bereich von 10-18 bis 10-12 m2 (1 µD bis 1 D).
Für routinemäßige Permeabilitätsmessungen bei Raumtemperatur verwenden wir das Gas/Wasser-Permeameter PEPE. In PEPE kann sowohl Gas (Argon) als auch deionisiertes Wasser als Porendruckmedium verwendet werden. Bei der Durchströmung mit Gas wird der Volumenstrom mit Hilfe von Sensoren gemessen, die Durchflussraten zwischen 1 und 10.000 ml/min abdecken. Für die Durchströmung mit Wasser können zusätzlich Pumpen am Gerät installiert werden, welche den Porendruck sowie den Volumenstrom intern erfassen. Der Umschließungsdruck wird mit Gas generiert und beträgt maximal 10 MPa.
Für Messungen mit Wasser bei höheren Temperaturen bis ca. 150 °C steht ein weiteres Permeameter zur Verfügung (BECKI). Der maximale Umschließungsdruck (Gas) beträgt hier ca. 20 MPa. Die Durchströmung erfolgt hier wieder mit Hilfe von Pumpen bei gleichzeitiger Erfassung von Porendruck und Volumenstrom.
Zur Untersuchung der Langzeitentwicklung der Permeabilität unter simulierten In-situ-Bedingungen betreiben wir weitere komplexe Durchströmungsapparaturen (MUSPIS 1-4, SEPP/SEPP-Hydrat, FLECAS-HT, MTS).
