Experimentelle Modellierung von Prozessen der Mineralausfällung und -auflösung im tiefen Untergrund

Christoph Weidner1, Georg Houben1, Thomas Himmelsbach1
1 Grundwasserressourcen - Beschaffenheit und Dynamik, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

P 5.5 in Deep geothermal reservoirs - synergies and conflicts

Die aktive Beeinflussung der hydraulischen Durchlässigkeit von Klüften hat eine hohe Relevanz für unterschiedlichste Anwendungen und Nutzungsmöglichkeiten des tiefen Untergrundes ins Deutschland. Während die künstliche Verringerung von Kluftöffnungsweiten in einigen Anwendungen wie der Abdichtung von Bohrungen, der Endlagerung radioaktiver Abfälle oder der unterirdischen CO2-Speicherung von Interesse sein kann, wird in anderen Anwendungen wie der Nutzung von Erdwärme in stimulierten geothermischen Systemen oder der nichtkonventionellen Erdgasförderung die künstliche Erhöhung der Kluftapertur angestrebt. Möglichkeiten zur Einflussnahme auf Kluftöffnungsweiten und -permeabilitäten durch kontrollierte Lösungs- und/oder Fällungsprozesse von Mineralen gehören daher zu den wichtigsten aktuellen geowissenschaftlichen Fragestellungen.

Im Rahmen dieser mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten wurden in letzter Zeit technische Maßnahmen zur Erhöhung oder Verringerung von Kluftpermeabilitäten entwickelt. So kommen zum Beispiel in Reservoiren der tiefen Geothermie und der nichtkonventionellen Erdgasförderung chemische oder hydraulische Maßnahmen (Säuerung, hydraulische Stimulation) zur Erhöhung der Kluftpermeabilität zum Einsatz, während für die Bohrlochabdichtung, Endlagerung und CCS biologische und chemische Maßnahmen zur künstlichen Schließung von Klüften durch Mineralausfällung (mikrobiologisch induzierte Ureolyse und Kalzitfällung) diskutiert werden (Phillips et al., 2013, Yoo et al., 2013, El Mountassir et al., 2014).

Ein Labormodell wurde konstruiert (vgl. Abb.), um die Dynamik hydraulischer Klufteigenschaften infolge thermisch induzierter Minerallösungs- und -ausfällungsprozesse auch im Hinblick auf das Strömungsregime experimentell unter kontrollierten Randbedingungen zu untersuchen. Mit diesem Modell kann bei Drücken von bis zu 10000 kPa und Temperaturen von bis zu 80°C eine kontinuierliche Durchströmung der Kluftprüfzelle erzeugt werden. Die Ausfällung von Alaun als Modell-Ersatz-Mineral kann durch künstliche Temperaturgradienten im Kluftsystem induziert werden.

In einer ersten Projektphase wurde die Funktionalität der thermisch induzierten Alaunausfällung sowohl in einem Kluftersatzsystem als auch entlang der natürlichen, geschliffenen Gesteinsoberfläche getestet und die Quantifizierbarkeit der Veränderung der Druckdifferenzen im Zu- und Auslauf sowie der wirksamen Apertur festgestellt. So konnte die Äquivalentapertur des Kluftersatzsystems infolge Mineralausfällung in einem ersten Test um bis zu 70 % reduziert werden.

In den folgenden Experimenten werden nun natürliche Gesteinsoberflächen verschiedener, für Fragestellungen der Tiefengeothermie oder der nuklearen Endlagerung in Deutschland relevanter Gesteine auf ihre Reaktion gegenüber reaktiven Kluftströmungsprozessen untersucht. Im Anschluss an glatte Kluftoberflächen ist zudem die Untersuchung von Prüfkörpern mit natürlichen, rauen Bruchflächen und unter variablem Strömungsregime angedacht.



 

 

EL MOUNTASSIR, G., LUNN, R.J., MOIR, H. & MACLACHLAN, E. (2014): Hydrodynamic coupling in microbially mediated fracture mineralization: Formation of self-organized groundwater flow channels. – Water Resources Research, 50(1): 1-16.

PHILLIPS, A.J., GERLACH, R., LAUCHNOR, E., MITCHELL, A.C., CUNNINGHAM, A.B. & SPANGLER, L. (2013): Engineered applications of ureolytic biomineralization: a review. – Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research, 29(6): 715-733.

YOO, S.Y., MITO, Y., UEDA, A. & MATSUOKA, T. (2013): Geochemical clogging in fracture and porous rock for CO2 mineral trapping. – Energy Procedia, 37: 5612-5619.