Numerische Modellierung

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Veränderungen der Reservoireigenschaften durch den Langzeitbetrieb hydrogeothermaler Anlagen: Simulation und Experiment

Das Simulationsprogramm SHEMAT ist ein neu entwickeltes numerisches Simulationswerkzeug zur Berechnung komplexer, stationärer und transienter Prozesse in hydrogeothermalen Reservoirs. Es ist im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens entwickelt worden, um Langzeitprognosen der Speichereigenschaften bei der geothermischen Energiegewinnung aufstellen zu können. Es stellt aber auch ein allgemeines einsetzbares Werkzeug dar, um eine große Bandbreite von Prozessen und Problemen in Sedimentspeichern sowohl in technischen als auch geologischen Zeiträumen zu untersuchen. Strömung, Wärmetransport, Ionentransport und heterogene Chemie sind wechselseitig gekoppelt. Der Wärmetransport ist nichtlinear aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Wassereigenschaften und der Gesteinswärmeleitfähigkeit. Durch Kopplung der Fluiddichte an die Temperatur und den Salzgehalt ist das Modell in der Lage, dichtegetriebene Konvektion zu berücksichtigen. Fällung- und Lösungsumsätze der Minerale werden innerhalb des Modells durch eine erweiterte Version des geochemischen Modells PHRQPITZ bereitgestellt. Es ermöglicht die Berechnung der geochemischen Reaktionen in Speicherfluiden von niedriger Salinität bis hin zur Sättigungsgrenze und bei Temperaturen von 0 - 150 °C. Die Parameter der von Temperatur and Übersättigung abhängigen Reaktionskinetik können von außen über die im Projekt entwickelte graphische Benutzeroberfläche "Processing Shemat" an die jeweils neuesten experimentellen Befunde angepasst und erweitert werden.

	Abb.1: Lösung, Transport und Wiederausfällung von Anhydrit in einem gefluteten Sandstein-Kern mit Temperatur- gradient (80-100 °C). Das Experiment von Meyn und Lajcsak (1999) wurde mit SHEMAT nachmodelliert. Dabei wurde für den Zusammenhang zwischen Permeabilität k und Porosität f eine Potenzfunktion mit dem Exponenten 12 verwendet.

Chemische Wasser - Gesteins - Wechselwirkung modifiziert die Porenraumstruktur. Das wiederum verändert die Transport- und Fördereigenschaften des Reservoirs. Diesem Rückkopplungsmechanismus wird im Modell dadurch Rechnung getragen, dass ständig die Permeabilitätsänderung aus der Porositätsveränderung berechnet wird, die aus der Mineralfällung und -lösung resultiert. Das erfolgt über eine dreigliedrige Potenzreihe bezüglich der Porosität in der gebrochene, d.h. eine fraktale Geometrie repräsentierende Exponenten auftreten können. Diese neue Beziehung wurde aus einem selbstähnlichen und fraktalen Strukturmodell des Porenraumes und seiner Veränderungen hergeleitet und experimentell verifiziert.

Mit SHEMAT wurde erfolgreich die räumliche Verteilung der Permeabilitätsveränderung simuliert, die in einem Kerndurchströmungsexperiment unter Speicherbedingungen gemessen wurde. Ursache der Permeabilitätsänderung war dabei die Umlösung von Anhydrit in einem von außen aufgeprägten durchströmten Temperaturgradienten. Dadurch wurde die Situation an der Kaltwasserfront einer geothermischen Doubletteninstallation experimentell nachgebildet. Zu den bereits simulierten Szenarien gehören die hochaufgelöste Umgebung der Reinjektionsbohrung für die abgekühlte Thermalsole und die Langzeitsimulation einer geothermische Doublettenanordnung zur Wärmegewinnung bei NaCl-Gehalten an der Sättigungsgrenze.

(Publication at the World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan)