Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Arbeitsprogramme

Mikrotomographische Quantifizierungen und reaktive Simulationen

 

"Mikrotomographische Quantifizierung von Lösung-/Fällungsprozessen in der Porenskala und reaktive Simulation der Porositäts-Permeabilitätsbeziehung"

Digital Rock Physics (DRP)

Vor und nach den Autoklaven-Experimenten der beteiligten Projektpartner werden die Proben im μXCT Labor der JGU Mainz hochauflösend gescannt. Nach dem Scannen müssen die Proben aufwendig am Computer aufbereitet (3D Bildfilter, Mustererkennung) und in Phasen (Mineralphasen und Porenraum) segmentiert werden. Basierend auf den segmentierten Datensätzen werden effektive petrophysikalische Parameter prozessbasiert simuliert. Die Vorgehensweise richtet sich nach dem „Digital Rock Physics“ (DRP-) Konzept (s. folgende Abb.).

Von links nach rechts: Vergleich der Strömungsfelder vor und nach Porenraum-Veränderungen während der Autoklaven-Experimente.

Die segmentierten μXCT-Basisdaten von Proben vor und nach den Autoklavenexperimenten und daraus abgeleitete effektive Parameter werden direkt quantitativ miteinander verglichen. Daraus kann die quantitative Veränderung von reservoirspezifischen porenskaligen Parametern (insbesondere Porosität/Permeabilität) aufgrund der Alteration des Mineralphasenbestandes und Porenzementbildungen erfasst und dokumentiert werden.

Bestimmung von repräsentativen Elementarvolumen (REV)

Anhand der DRP-Daten werden REV-Analysen durchgeführt, die für ein Upscaling benötigt werden. Semivariogramme der Poren und Strömungsfelder (lokale Permeabilitäten), zeigen statistische Heterogenitäten innerhalb der Struktur auf und ermöglichen so eine Bestimmung von REVs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1) Strömungsfeld der Präzipitations-Struktur. (2) Anisotropes Semivariogramm des Strömungsfeldes nach Präzipiations-Simulationen in x-(Grün), y-(Blau), z-(Rot) Richtung.

Die Abbildung zeigt die Varianz über eine Porengeometrie mit SrSO4-Präzipitationsfront, welche senkrecht zur Z-Achse ausgerichtet ist. Deren Auswirkung ist sowohl im Semivariogramm (2) als auch im Strömungsfeld (1) deutlich erkennbar. Ein Algorithmus erfasst automatisch den größtmöglichen REV-Bereich in jeder Raumrichtung (hervorgehobene Linien).

Reaktiver Transport im Porenraum

Ein Hauptziel des Teilprojekts ist die Simulation der dynamischen Porositäts- Permeabilitätsbeziehung in porösen Reservoirgesteinen (Probenmaterial) aufgrund von Alterationsprozessen (Autoklaven­experimente). Dazu wird an der JGU Mainz ein Modell weiterentwickelt und angepasst. Dieses kombiniert den effektiven Softwarecode GeoDict (Math2Market GmbH, Kaiserslautern) zur Berechnung von Partikeltransportpfaden mit dem geochemischen Berechnungscode IPhreeqc (USGS) nach dem operator-splitting Verfahren in einem parallelen Lagrange-Ansatz. Alterationsprozesse können in segmentierten Daten unter sowohl räumlich als auch zeitlich hoher Auflösung simuliert werden. Nach Implementierung der experimentellen Anfangs- und Randbedingungen (Fluidzusammensetzung, Mineralphasen, P/T-Bedingungen, etc.) werden die verschiedenen Autoklavenexperimente numerisch simuliert.

Diese 3D Animation zeigt die kontinuierliche Auflösung der Calcit-Körner (grau) aufgrund einfließenden sauren Wassers (von links nach rechts). Chloridionen dienen dabei als konservativer Tracer und werden von blau-rot dargestellt (0 - 1e-3 mol / L).

Diese Animation visualisiert die Ergebnisse einer reaktiven 3D Transportsimulation: kinetische Auflösung von Calcitkörnern. Die Diagramme zeigen repräsentative 2D-Schnitte und die Porositäts-Permeabilitäts Beziehung für die gesamte Struktur. Die beiden oberen Reihen wurden aus Porenfluid-Datensätzen kontinuierlich voranschreitender Zeitschritte gewonnen.