Kurzname: ResKin
Projekt: ResKin: Reaktionskinetik in Reservoirgesteinen: Anwendungsbereite Aufskalierung und Modellierung
Laufzeit: 01.07.2017 bis 30.06.2020
Koordination:

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Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Forschungsstelle Leipzig, Institut für Ressourcenökologie (Abteilung Reaktiver Transport)
Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Projektpartner:
Programm: Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)
Themenschwerpunkt: Unterirdische Geosysteme
Ziele:

Gekoppelte Lösungs- und Fällungsreaktionen verändern die Porosität und Permeabilität von Gesteinen. Solche Reaktionen sind durch die Kinetik der Prozesse auf der atomaren Skala bestimmt. Wichtige Auswirkungen auf größeren Zeit- und Längenskalen treten bspw. durch Veränderungen der petrophysikalischen Eigenschaften eines geologischen Reservoirs auf. So werden z. B. Fließgeschwindigkeitskontraste im Bohrkernmaßstab durch unterschiedliche Porenstrukturen verursacht. Diese sind auf topografische Diskontinuitäten und ihre Veränderungen an reagierenden Kristalloberflächen zurückzuführen. Heterogene Materialoberflächen verursachen Kontraste der Oberflächenladungsverteilungen, die wiederum Auswirkungen auf lokale Elektrolytkonzentrationen haben, welche über Sättigungsgradienten die Oberflächenreaktivität beeinflussen. Daher ist es erforderlich, sowohl die Oberflächenreaktivität als auch die Fluidhydrodynamik zu analysieren. Bisher wurden Fragestellungen zur Oberflächenreaktivität, Reaktionskinetik und Hydrodynamik weitgehend isoliert voneinander betrachtet, ein zusammenfassendes quantitatives Konzept fehlt.

Ziel des Verbundprojekts ResKin ist es, die Rolle der Kinetik chemischer Reaktionen für langfristige Nutzungs- und Sicherheitsanalysen von Reservoirgesteinen zu bestimmen. Hierzu soll ein skalenübergreifendes, mechanistisches Verständnis der Reaktionskinetik erarbeitet werden, das von gekoppelten Lösungs- und Fällungsreaktionen auf der Kristalloberfläche (nm-Skala) über Mineralsubstrate (mm-Skala) bis zu Bohrkernen (cm-Skala) reicht. Als Proben dienen kalzitisch zementierte Sandsteinen des Rotliegend, Kalzit-Einkristalle und Tonsteine (Barrieregestein). Das Verbundprojekt gliedert sich in fünf Arbeitspakete. Im Zentrum des ersten Arbeitspaketes steht die Kinetik von Fluid-Festkörper-Reaktionen auf der Skala der Kristalloberflächen, Porenwände sowie Poren in Reservoir- und Barrieregesteinen. Dabei soll der Einfluss von Korngrenzen, Kristalldefekttypen, Kristalldichte und chemischer Kristallzusammensetzung auf die skalenabhängige Reaktionskinetik und die Entwicklung initialer Porenmuster auf der Oberfläche zu untersucht werden. Das zweite Arbeitspaket führt Diffusions- und Durchflussexperimente mit Reservoir- und Deckschichtgesteinen auf der Bohrkernskala (cm) durch. Die Experimente quantifizieren Änderungen der Mineral- und Fluidzusammensetzung sowie der Porosität und Permeabilität durch reaktive Transportprozesse und ermitteln somit Daten zur Reaktionskinetik. Im Rahmen des dritten Arbeitspakets sollen die Auswirkungen von Auflösungsreaktionen in polymineralischen Reservoirsandsteinen und in mesozoischen Barrieregesteinen analysiert werden. Es ist geplant, mineralogische und strukturelle Änderungen auf der nm- bis μm-Skala zu bestimmen, um den Einfluss von Tonmineralen auf die Reaktionskinetik zu untersuchen. Ziel des vierten Arbeitspaketes ist die Visualisierung und Quantifizierung der Kinetik porenraumverändernder Prozesse aufgrund geochemischer Reaktionen mittels verschiedener computertomographischer Methoden. Die Quantifizierung relevanter petrophysikalischer Reservoirparameter soll aus der Porenraum- und Mineralmikrostruktur (µm- bis cm-Skala) erfolgen. Im fünften Arbeitspaket ist die Entwicklung von Modellen, Algorithmen und Software zum Aufskalieren des reaktiven Transports in porösen Medien beabsichtigt. Im Ergebnis soll ein kinetisches Modul für die reaktive Transportmodellierung zur Verfügung stehen, mit dem Porositäts- und Permeabilitätsänderungen von Speichergesteinen quantitativ prognostiziert werden können.

Projektwebseite:

Weitere Informationen finden sich auf der ResKin Projektwebseite.