CT-basierte numerische Simulationen druckabhängiger Fluidflüsse in einem geklüfteten porösen Sandstein

Tobias Kling1, Da Huo2, Jens-Oliver Schwarz3, Sally Benson2, Frieder Enzmann4, Philipp Blum1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), Adenauerring 20b, 76131 Karlsruhe
2 School of Earth Sciences, Stanford University, 397 Panama Mall, Mitchell Building 101, Stanford (Kalifornien)
3 Math2Market GmbH, Huberstraße 7, 67657 Kaiserslautern
4 Institut für Geowissenschaften, Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU), J.-J.-Becher-Weg 21, 55128 Mainz

O 5.5 in Tiefe Georeservoire - Synergien und Nutzungskonflikte

16.04.2016, 10:45-11:00, Audimax B, Geb. 30.95

 

 

Gekoppelte Prozesse in Klüften und deren Auswirkung auf die hydraulischen Eigen­schaften in Reservoirgesteinen spielen eine wichtige Rolle in der tiefen Geothermie, in der Endlagerforschung und in der Exploration von Kohlenwasserstoffen. Ein großer Unsicherheitsfaktor bei der numerischen Simulation des Fluidtransfers in Klüften stellt für gewöhnlich die naturgetreue Abbildung prozessbedingter Änderungen der Kluftgeometrie dar.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Validierung eines druckabhängigen, einphasigen Fluidflusses eines Durchflussexperiments mithilfe numerischer Simulationen und auf Computertomographie (CT) basierenden Geometriedaten. Hierfür wurde die Permeabilität einer geklüfteten, gering-permeablen Sandsteinprobe unter stufenweiser Belastung (0,7 MPa bis 22,1 MPa) und entsprechender Entlastung experimentell bestimmt. Zeitgleich zu jeder Druckstufe erfolgte eine Abbildung der Kernprobe mit Hilfe eines medizinischen CT mit einer Voxelauflösung von 0,5 × 0,5 × 1,0 mm³. Anschließend wurden die detektierten Dichtekontraste in geeignete Geometrien zur Durchführung der Simulation überführt. Die Realisierung der Simulation erfolgte mittels einer Finite-Volumen-Methode zur Lösung der Navier-Stokes/Brinkman-Gleichung.

Die Simulationen erwiesen sich als qualitativ plausibel, zeigten jedoch deutliche quantitative Abweichungen zwischen experimentell ermittelten und simulierten Permeabilitäten. Die Visualisierung der Simulationen zeigte ein signifikantes „flow channeling“-Verhalten entlang weniger bevorzugter Fließwege mit gering ausgeprägter Tortuosität. Druckbedingte Änderungen in der Permeabilität konnten temporären und permanenten Änderungen innerhalb der Kluft zugeordnet werden. Des Weiteren integriert der Simulationsansatz auch Kluft-Matrix-Interaktionen und Permeabilitäts-Anisotropien innerhalb der Matrix. Letztere stehen hierbei deutlich in Zusammenhang mit Schichten höherer Porosität, in welchen auch druckinduzierte Schließungs- und Öffnungsprozesse beobachtet wurden. Die Abweichungen der quantitativen Ergebnisse waren hierbei deutlich abhängig Bildrauschen der CT-Scans. Trotz Qualitätsverbesserung durch die Mittelung multipler Scans verbleibt, bedingt durch den experimentellen Aufbau, ein Restrauschen von durchschnittlich ± 17,7 HU. Eine Korrektur der einzelnen Voxel auf Basis dieser Unsicherheiten und unter Annahme eines homogenen Matrixmaterials (CTmat = 1862,6 HU), zeigte eine deutliche Sensitivität der Simulationen (z.B. 2,6-fache Erhöhung der simulierten Permeabilität bei einer Bildkorrektur von +17,7 HU). Basierend auf unseren Beobachtungen und unter Berücksichtigung ähnlicher Studien (Watanabe et al., 2011), konnten mehrere Empfehlungen für zukünftige Studien entwickelt werden, welche eine Verbesserung der CT-Bildqualität, Modelqualität und qualitative Validierung der Fließprozesse ermöglichen.

Visualisierung der simulierten Fluidflüsse ("flow channeling") entlang der Kluft unter geringster Belastung (0,7 MPa).
Visualisierung der simulierten Fluidflüsse ("flow channeling") entlang der Kluft unter geringster Belastung (0,7 MPa).



Watanabe, N., Ishibashi, T., Ohsaki, Y., Tsuchiya, Y., Tamagawa, T., Hirano, N., Okabe, H., & Tsuchiya, N. (2011): X-ray CT based numerical analysis of fracture flow for core samples under various confining pressures. - Eng. Geol., 123: 338-346.

 



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