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Druckabhängigkeit von Permeabilität und spektraler induzierter Polarisation (SIP)
DFG NO294/21-1
Notwendige Voraussetzung für eine Ableitung hydraulischer Transportparameter von Sandsteinen aus elektrischen Daten (spektrale induzierte Polarisation, SIP) sind grundlegende Kenntnisse über den Transport von Ladungsträgern im Porenraum von Sandsteinen. Die Beweglichkeit der Ionen im Porenfluid wird durch Polarisationen, also Wechselwirkungen mit der Gesteinsmatrix, behindert. Der Grad der Wechselwirkung wird unter anderem durch Salinität und Chemismus des Porenfluids, die mineralische Zusammensetzung, die innere Oberfläche des Porenraums und die Kationen-austauschkapazität der Tonminerale kontrolliert. Der Transport von Ladungsträgern in der elektrochemischen Doppelschicht (DL) ist somit in der Stern-Schicht und dem diffusen Teil der Doppelschicht signifikant unterschiedlich, wobei die Beiträge der beiden Leitungsprozesse zur Gesamtleitfähigkeit durch chemische Größen und porenraumspezifische petrophysikalische Eigenschaften wie Porosität, Permeabilität, innere Oberfläche, Porenradienverteilung, etc. bestimmt werden. Nur mit Kenntnis der Wechselwirkungen dieser Parameter untereinander können gängige Modellvorstellungen weiterentwickelt werden, die es dann erlauben würden, den elektrischen SIP-Signaturen Transportparameter zuzuweisen. Das Problem, die vielen bisher durchgeführten SIP-Messungen an unterschiedlichen Sandsteinen in dieser Richtung zu interpretieren, liegt darin, dass zwar die grundlegenden elektrochemischen und petrophysikalischen Parameter sehr präzise und aufwendig gemessen wurden, aber durch die unterschiedlichen Porengeometrien der untersuchten Sandsteine eine allgemeingültige Korrelation mit der Permeabilität nicht erstellt werden konnte. Zur Interpretation der SIP-Spektren wurden von den verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedliche Modellansätze genutzt und auf Aussagefähigkeit hin getestet, eine allgemeingültige Beziehung konnte bislang jedoch nicht gefunden werden.
Einen Beitrag zur Lösung dieser prinzipiellen Problematik können Messungen der Druckabhängigkeit der SIP liefern, da bei diesen Messungen der Gesamtchemismus des Systems Matrix-Porenfluid konstant gehalten werden kann und lediglich durch Druck der Vernetzungsgrad der Poren und damit auch die Porenweite verändert werden. Es werden also nur die Leitungsbeiträge der Stern- und des diffusen Teils der elektrochemischen Doppelschicht (EDL, electrochemical double layer) geändert. Die hierdurch bedingte Änderung des Imaginäranteils der SIP (Quadraturkomponente) kann dann mit der unabhängig gemessenen Änderung der druckabhängigen Permeabilität korreliert werden.
Kontakt: Georg Nover , Jutta von der Gönna
Änderung der petrophysikalischen Eigenschaften von Sandsteinen unter dem Einfluss von superkritischem CO2 (scCO2)
(DFG: NO294/19-1)
Der sichere Einschluss von CO2 in Speicherhorizonten wie tiefliegenden salinaren Aquiferen erfordert genaue Kenntnisse der Änderungen geologischer, mineralogischer, physikalischer und chemischer Parameter nach der Injektion von superkritischem CO2. Hierzu werden repräsentative Buntsandsteinproben der Hessischen Senke zunächst petrophysikalisch/mineralogisch klassifiziert und anschließend den Druck- und Temperaturbedingungen eines tiefliegenden Aquifers (>1000m) ausgesetzt. Nach Reaktionszeiten von Tagen bis Wochen werden der Phasenbestand qualitativ und quantitativ (XRD; Rietveld) bestimmt und die petrophysikalischen Parameter Dichte, Porosität, Permeabilität, elektrische Impedanzspektroskopie (IS) und Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) an den behandelten Proben gemessen. Änderungen der Porengeometrie, die durch Lösung oder Ausfällung von Mineralien bedingt wurden, können so mit zwei unabhängigen Verfahren (Permeabilität, Elektrik) erkannt werden. Chemische Veränderungen der Proben werden mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) sondiert, Änderungen im Chemismus des salinaren Porenfluids durch Chromatographie. Parallel hierzu werden die Stabilität von Mineralphasen und die Kinetik der Lösung und Abscheidung von Mineralsubstanz untersucht. Diese Daten können für Modellierungen, für das elektrische Monitoring von Fluid/Gesteinswechselwirkungen, sowie von Rissbildung und Porengeometrieänderungen in Buntsandsteinen genutzt werden.
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Einfluss des hydrostatischen Druckes auf den frequenzabhängigen komplexen elektrischen Widerstand von sedimentären Festgesteinen und dessen Beziehung zur Permeabilität, bei besonderer Betrachtung der Anisotropie
(DFG NO 294/ 17-1)
Die Methode der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) bietet die Möglichkeit der Ableitung von Transportparametern, insbesondere der Permeabilität. Allerdings sind die zugrunde liegenden Polarisationsmechanismen bisher nicht vollständig verstanden. SIP-Messungen an Proben bei verschiedenen hydrostatischen Umgebungsdrücken erlauben die Betrachtung des Einflusses der veränderten Porenraumstruktur bzw. -raumes bei ansonsten identischen Proben auf die Polarisation und ermöglichen somit die Evaluierung bzw. Weiterentwicklung gängiger Modellvorstellungen. Zudem können durch paralleles Messen der druckabhängigen Permeabilität die Beziehung zwischen SIP und Permeabilität untersucht werden. Ergänzende Betrachtung der Anisotropie von SIP und Permeabilität können weiterführende Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Struktur des Porenraumes und den SIP-Daten liefern.
Kontakt
Georg Nover, Norbert Zisser
