PERMEA 2: Deformationsabhängige Entwicklung von Störungszonen und der Einfluss von Clay Smear auf deren Barriereverhalten

Zurück zur Liste

PERMEA 2

PERMEA 2: Deformationsabhängige Entwicklung von Störungszonen und der Einfluss von Clay Smear auf deren Barriereverhalten

01.11.2020 bis 31.12.2022


Universität Erlangen-Nürnberg, Geozentrum Nordbayern (Angewandte Sedimentologie)
Schlossgarten 5
91054 Erlangen

Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften
RWTH Aachen, Lehr- und Forschungsgebiet Geologie – Endogene Dynamik
MaP – Microstructure and Pores GmbH Aachen

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Nutzung unterirdischer Geosysteme

Im Rahmen des Verbundprojekts PERMEA wurden Modelle entwickelt, die eine verbesserte Vorhersage der Bruchverteilung im Bereich von Störungszonen gestatten. Eine genaue Kenntnis der Kluftverteilung ermöglicht Rückschlüsse auf die Permeabilitätseigenschaften von Bruchzonen und somit auf deren Durchlässigkeit z. B. für aufsteigende Tiefenfluide, was wiederum Aussagen zu den Reservoir- und Barriereeigenschaften von Gesteinsformationen unter Berücksichtigung von Spannungs-, Deformations- und Materialparametern erlaubt.

Durch Kombination von Geländemessungen, Laboruntersuchungen und numerischen Simulationen wurde die Entwicklung von Störungen und Bruchsystemen auf unterschiedlichen Skalen untersucht. Mittels hydraulischer Tests und geophysikalischer Messungen in Bohrungen in einem Feldlabor, wurde die Verteilung von Klüften und Permeabilität im Bereich von Störungszonen sowie die Durchlässigkeit von Störungen und einzelnen Klüften bestimmt. Zusammen mit umfangreichen Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die im Testfeld vorherrschende Kalkstein-Mergel-Abfolge nahezu impermeabel ist und eine Fluidbewegung ausschließlich auf den Trennflächen erfolgt. Die Oberflächenanalyse hochauflösender photogrammetrischer Aufnahmen von Bruchflächen zeigte, dass unabhängig von den Deformationsbedingungen eine „Standardrauigkeit“ für Klüfte oder Störungen mit geringem Versatz angenommen werden kann.

Über Diskrete Elemente Modellierungen wurden Informationen zur Bruchgeometrie und der Bruchdichteverteilung im Subseismikmaßstab bei gegebenen Spannungsbedingungen und geomechanische Eigenschaften gewonnen. Die Gelände- und Laborbeobachtungen erlaubten es die durchgeführten mechanischen Modelle zu validieren. Sowohl die numerischen Modelle als auch komplementär durchgeführte Sandboxmodellstudie zeigten, dass das Hohlraumvolumen und auch die Konnektivität dilatanter Störungs- und Bruchsysteme in kompetenten Gesteinsschichten maßgeblich von der Rheologie sowie der Mächtigkeit zwischengelagerter, mechanisch schwächerer Schichten beeinflusst wird. Die skalierten Modelle erlauben eine Prognose des Einflusses der mechanischen Stratigraphie auf die Transport- und Speichereigenschaften des gestörten Reservoirs.

Über numerische Modellierungsansätze zur Simulation der Durchströmung geklüfteter Gesteine wurde die Abhängigkeit der Permeabilität von der Geometrie einer rauen Kluft quantifiziert. Unter Annahme konkreter Aperturverteilungs- und Rauigkeitswerte konnten spezifische Korrekturfaktoren für das „Cubic Law“ abgeleitet werden, um Einzelbruchpermeabilitäten vorherzusagen. Zur Validierung der Modelle wurden mit Hilfe eines 3D-Druckers Brüche mit definierten Rauigkeiten und Aperturen erstellt und daran Durchströmungsversuche im Labor durchgeführt. Diese ergaben im Vergleich zu analytischen Berechnungen sinnvolle Ergebnisse. Synthetisch erstellte Probenkörper können somit generell als Validierungsproben für numerische Simulationsansätze genutzt werden.

Die Modellierung des Fluidflusses in komplexen Bruchnetzwerken durch Kombination eines anisotropen Darcy-Modells mit den im Projekt entwickelten Upscaling-Ansatz führt zu einer massiven Steigerung der numerischen Effizienz, welche es ermöglicht, den Fluidfluss auf der Reservoirskala in einer großen Anzahl an Modellen nachzuvollziehen. In Kombination mit den aus den Diskrete Elemente Modellen gewonnenen Informationen zur Bruchdichte und -verteilung ist es möglich, eine Abhängigkeit der Permeabilität von den Deformationsrandbedingungen abschätzen.

Im Rahmen des Anschlussprojekts PERMEA 2 sollen duktile Deformationsstrukturen (Clay Smear) auf Störungsoberflächen untersucht werden, um Vorhersagen der Durchlässigkeits- und Barriereeigenschaften von Störungen in Kalkstein-Mergel-Wechsellagerungen zu ermöglichen. Hintergrund sind Beobachtungen bei Geländearbeiten in einem fränkischen Steinbruch, dass der Mergelgehalt von Bruchzonen die Permeabilität senkrecht zur Störung kontrolliert, wodurch sich hydraulische Barrieren entwickeln. Zur Analyse der Deformationsstrukturen sind eine großflächige Freilegung und hochdetaillierte Aufnahme von Störungsflächen geplant sowie umfangreiche Laboruntersuchungen der petrophysikalischen und hydraulischen Eigenschaften. Weiterhin sind mikrostrukturelle und strukturanalytische Untersuchungen sowie numerische Modellierungen der Deformations- und Permeabilitätsentwicklung in den Störungssystemen vorgesehen. Mit den geplanten Arbeiten werden die Modelle zur Prognose der strukturellen und hydraulischen Eigenschaften von Störungen in Kalkstein-Mergel-Wechsellagerungen, die ein wichtiges Speicher und Barrieregestein bilden, durch Einbeziehung duktiler Materialkomponenten wesentlich erweitert. Zusammen mit den Ergebnissen des Vorgängerprojekts soll mit PERMEA 2 Werkzeuge zur Prognose von Bruchnetzwerken und zur Berechnung der Gebirgsdurchlässigkeit in geklüfteten Gesteinen bereitgestellt werden, welche die Bewertung geologischer Strukturen hinsichtlich ihrer Reservoir- oder Barriereeigenschaften erlauben.