Flow and transport in fractured geothermal reservoirs on different scales: Linking experiments and numerical models
Creators: name: Egert, Robert Wolfgang
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Die Erdwärme stellt eine wichtige erneuerbare Energiequelle der Zukunft dar, um den Grundbedarf der Menschen an Wärme und Strom zu decken und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle zu verringern. Die Internationale Energiebehörde schätzt, dass bis zum Jahr 2050 3,5% der weltweiten Energieversorgung durch Geothermie erfolgen können. Die Vorteile der Geothermie liegen dabei in der guten bedarfsabhängigen Regulierbarkeit sowie der uneingeschränkten weltweiten Verfügbarkeit bei gleichzeitig geringem Flächenbedarf. Darüber hinaus ist die Geothermie als eine der wenigen erneuerbaren Energien vollständig grundlastfähig und damit unabhängig von stark wechselnden Umwelteinflüssen, wie Windstärke oder Sonneneinstrahlung. Die größte Herausforderung bei der Geothermie liegt in der Erschließung von Niederenthalpie-Lagerstätten, die in Tiefen von einigen Kilometern liegen. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Technologie des Enhanced Geothermal Systems (EGS) dar, die geringdurchlässige Gesteinsschichten eines Reservoirs wirtschaftlich nutzbar macht. Bei EGS werden durch hydraulische Stimulation bestehende natürliche Kluftsysteme erweitert und neue Klüfte geschaffen und so ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem geklüfteten Reservoirgestein und zirkulierenden Fluiden ermöglicht. Bisher gibt es allerdings nur wenige Pilotanlagen, wie z.B. in Soultz-sous-Forêts, Frankreich. Der Nachteil dieser Technologie ist, dass die so entstandenen Klüfte nur einen sehr kleinen Teil des Reservoirvolumens darstellen und sich alle an der Fluidzirkulation beteiligten natürlichen und induzierten Prozesse auf engstem Raum abspielen. Das grundlegende Verständnis der hochlokalisierten physikalischen Prozesse und Wechselwirkungen stellt somit den Schlüsselfaktor für einen erfolgreichen, umweltverträglichen und sicheren Betrieb von EGS dar. Ein besonderes Augenmerk muss auf die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen der Kluft und dem zirkulierenden Fluid sowie dem damit verbundenen Transport von Wärme und gelösten Stoffen gelegt werden. Die Kluftöffnung wird oft vereinfacht als der Abstand zwischen zwei parallelen Platten dargestellt. In Wirklichkeit bestehen die Verbindungen zwischen zwei Bohrungen jedoch aus einem kleinräumigen Netzwerk einzelner Klüfte, die wiederum ein stark veränderliches inneres Porenvolumen aufweisen. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Entstehung und geometrischen Beschaffenheit von bevorzugten Fluidwegsamkeiten in geklüfteten Reservoiren sowie der damit verbundenen Transportprozesse bei. Das übergeordnete Ziel der einzelnen Studien ist eine Verknüpfung experimenteller Untersuchungen mit numerischen Modellen, um die relevanten, teilweise skalenabhängigen physikalischen Prozesse in Klüften zu identifizieren und quantifizieren. In den ersten beiden Studien (Kapitel 4 und 5) werden eine Vielzahl von stochastisch einzigartigen granitähnlichen Kluftgeometrien erstellt. Anschließend werden numerische Modelle entwickelt, um die präferentiellen Fluidpfade und deren Eigenschaften im Klufhohlraum unter geothermie-typischen Strömungsbedingungen und unter Verwendung der komplexen Navier-Stokes-Gleichungen zu quantifizieren. Das Ziel der ersten Studie ist die Quantifizierung von räumlichen Unterschieden zwischen den dreidimensionalen und den vereinfachten zweidimensionalen Kluftmodellen. Ein Vergleich zwischen äquivalenten Modellierungen mittels der Navier-Stokes-Gleichungen und dem lokalen kubischen Gesetz erlaubt eine Vorhersage über die Gültigkeit dieser Vereinfachungen. In Abhängigkeit von Fließund Scherrichtung sowie dem angelegten Druckgradienten bilden sich in allen Klüften Kanäle aus, die einen großen Teil des Volumenstroms umfassen, während im Rest der Kluft nur geringe Anteile an Fluidbewegung zu beobachten sind. Innerhalb dieser Kanäle zeigen beide Fließgesetze eine gute Übereinstimmung sowohl für rein laminare als auch turbulente Strömungen (mit Reynolds-Zahlen deutlich über 1). Außerhalb von Kanälen ergibt sich unabhängig vom Fließregime für die zweidimensionale Vereinfachung eine deutliche Überschätzung des zu erwartenden Volumenstroms. In der zweiten Studie werden die einzelnen Kanäle innerhalb der dreidimensionalen Kluft hinsichtlich ihrer Geometrie sowie Transporteigenschaften quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen eine starke Anisotropie hinsichtlich der Fließ- und Scherrichtung. Obwohl eine senkrechte Ausrichtung von Strömung und Scherung zu einem deutlich verbesserten Durchfluss führt, haben die gut ausgebildeten und geraden Kanäle nur eine begrenzte Kontaktfläche mit dem umgebenden Gestein und behindern somit einen effizienten Wärmeaustausch. Anders ist dies bei einer parallelen Ausrichtung von Scherung und Strömung. In diesem Fall sind die Kanäle deutlich weniger ausgeprägt und haben zudem einen stark verlängerten absoluten Fließweg und damit verbundene höhere Kontaktfläche. Die dritte Studie (Kapitel 6) umfasst die Verknüpfung von Triaxialexperimenten, durchgeführt an zwei Sandsteinenderivaten mit steigenden Temperaturund Druckbedingungen, mit numerischen Modellen. Ziel ist eine Vorhersage der hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften eines potentiellen Reservoirgesteins. Die Ergebnisse zeigen eine poroelastische Kompaktion des Gesteins sowie anschließende nichtlineare Deformation, welche beide mit numerischen Modellen vorhergesagt werden können. Das Drucker-Prager-Kriterium ermöglicht die Bewertung der kritischen Scherspannung unter Berücksichtigung der drei Hauptspannungen. Die Studie zeigt, dass kleinstskalige Veränderungen, wie die mineralogische Zusammensetzung, zwar die Materialeigenschaften des Gesteins beeinflussen, numerische und analytische Modelle dessen Verhalten dennoch beschreiben können. In der vierten und fünften Studie (Kapitel 7 und 8) werden die kleinskalig gewonnen Erkenntnisse sowie weiterführende Felduntersuchungen dazu genutzt, um ein Modell des großräumigen Strömungsregimes im geklüfteten Reservoir von Soultz-sous-Forêts zu entwickeln. In der vierten Studie wird ein Strukturmodell des Soultz-Reservoirs entwickelt und das Strömungsregime entlang von Klüften zwischen den einzelnen Bohrungen mittels numerischer Modelle bestimmt. Durch die Verknüpfung mit den experimentellen Daten mehrerer Zirkulations- sowie Tracerversuche kann das Strömungsregime in bohrlochfernen Bereichen des Reservoirs quantifiziert werden. Darüber hinaus kann eine geologische Struktur identifiziert werden, die die Bohrungen GPK3 und GPK4 zwar hydraulisch separiert, allerdings störungsparallel eine Anbindung an das Fließregime des Oberrheingrabens herstellt. In der fünften Studie wird auf Grundlage des zuvor entwickelten hydraulischen Modells die Sensitivität der Produktionstemperatur hinsichtlich verschiedener operativer Rahmenbedingungen (Injektionstemperatur und Fließraten) untersucht.