Einfluss variierender Druck- und Temperaturbedingungen auf die hydraulischen Gesteinsparameter von jurassischen Karbonatgesteinen des Bayerischen Molassebeckens

Daniel Bohnsack1, Kai Zosseder1
1 Lehrstuhl für Hydrogeologie, Technische Universität München

P 3.2 in Deep geothermal energy and deep groundwater

Das Bayerische Molassebecken zählt zu den vielversprechendsten Gebieten in Europa um neue geothermische Projekte umzusetzen. Weit verbreitete und teils stark verkarstete Kalkstein-Ablagerungen aus dem Oberjura (Weißer Jura, “Malm”) bilden aufgrund Ihrer hydraulischen Eigenschaften wie hohe Porosität, Permeabilität und Speicherkapazität eine gute Grundlage zur Nutzung als Thermalwasserspeicher. Aufgrund der Heterogenität karbonatischer Ablagerungen variieren die hydraulischen und thermischen Eigenschaften des Grundwasserleiters und sind zudem abhängig vom vorherrschenden Gebirgs- und Porendruck sowie der Umgebungstemperatur. Um neue Standorte für die geothermische Exploration und die Erfolgsaussichten der einzelnen Projekte besser vorhersagen zu können, bedarf es daher einer genauen Untersuchung dieser Parameter und deren Abhängigkeit gegenüber den lokalen Aquiferbedingungen.

Zur Untersuchung der hydraulischen Parameter des Aquifers werden mehrere Kernproben unterschiedlicher Faziesbereiche aus dem “Malm”-Aquifer der Bohrungen Moosburg SC4 und der Forschungsbohrung Dingolfing untersucht. Mit Hilfe verschiedener experimenteller Laboruntersuchungen werden die Porosität, Permeabilität und das poroelastische Verhalten des Aquifergesteins bei verschiedenen Druck- und Temperaturszenarien bestimmt. Bei ersten Versuchen zeigt sich eine teils deutliche Verminderung sowohl der Porosität als auch der Permeabilität mit Erhöhung des effektiven Umlagerungsdrucks.

Zur Durchführung der Permeabilitäts- und Druckversuche wird eine Thermo-Triaxialprüfanlage genutzt, die eine Simulation des Überlagerungs- und Umgebungsdrucks, Porendrucks sowie der Reservoirtemperatur unabhängig voneinander ermöglicht (Abb. links).

Besonderes Augenmerk wird bei den Versuchen auf die Auswirkung der veränderten Druck- und Temperaturbedingungen auf die hydraulischen Parameter des Karbonatgesteins, sowie der elastischen Verformung der Gesteinsmatrix und der daraus resultierenden Veränderung des Porenraumgefüges gelegt. Ob rein elastische Verformung oder irreversible Veränderungen der Matrix durch Lösungs- und Fällungsprozesse oder mechanische bzw. thermische Prozesse auftreten, kann durch Verformungsmessungen während der Versuchsdurchführung (Abb. rechts) und an Dünnschliffen der beprobten Prüfkörper im Nachhinein untersucht werden.

Eine herbeigeführte Veränderung des Porendrucks in einem Aquifer, z.B. durch Erhöhung des Injektionsdrucks (Abb. unten) oder Absenkung der Temperatur an der Injektionsbohrung einer geothermischen Dublette, kann sich ebenfalls durch nachhaltige Veränderungen auf das Aquifergestein (Poroelastik, Karbonatlösung) ausdrücken (Lafogler et al., 2016). Ergebnisse aus Laborversuchen können weiteren Aufschluss über sinkende Injektionsdrücke in Geothermieprojekten geben und ob diese durch die Beeinflussung von Lösungsprozessen oder rein über poroelastische Zusammenhänge zu erklären sind. 

Links: Thermo-Triaxialprüfanlage. Rechts: Volumetrische Verformung des Prüfkörpers als Reaktion auf variierende Druckbedingungen. Unten: Untersuchung des Einflusses von Porendruckerhöhung auf die Porositätsveränderung des Prüfkörpers
Links: Thermo-Triaxialprüfanlage. Rechts: Volumetrische Verformung des Prüfkörpers als Reaktion auf variierende Druckbedingungen. Unten: Untersuchung des Einflusses von Porendruckerhöhung auf die Porositätsveränderung des Prüfkörpers



M. Lafogler, J. Bartels, F. Wenderoth, A. Savvatis, U. Steiner, A. Schubert, R. Niessner & T. Baumann, Quantifizierung der lokalen und Prognose der regionalen hydraulischen und hydrochemischen Reservoireigenschaften des Malmaquifers auf Basis eines Push-Pull-Tests am Standort Pullach (Puma): Schlussbericht, (2016).