Technische Universität Clausthal

Arbeitsprogramme

"Numerische Modellierung von Reaktionen im Bohrungsnahbereich von Untertagespeichern unter typischen Betriebsbedingungen"

Für die Planung und den Betrieb von Untergrundgasspeichern werden häufig numerische Simulationen durchgeführt, mit denen die Strömungsprozesse von Gas und Wasser im Speichergestein vorhergesagt werden können. Herkömmliche Softwarepakete können jedoch nicht die mikrobiellen Stoffwechselprozesse und das damit verbundene Wachstum von Biofilmen berücksichtigen. In diesem Teilprojekt ist die Entwicklung von geeigneten gekoppelten mathematischen Modellen, die numerische Umsetzung und Durchführung von exemplarischen Simulationsstudien geplant.

Entwicklung eines gekoppelten konzeptionellen Modells des Zweiphasenflusses von Gas und Wasser mit Biofilmablösung, Transport und Porenhalsverstopfung für den Sondennahbereich

 

Zuerst soll ein theoretisches Modell für das Biofilmwachstum und die Ablösung im Maßstab einer einzelnen Pore entwickelt werden. Das System des Polymernetzwerks zusammen mit Bakterien wird als Fluidphase mit nicht-newtonischen Eigenschaften modelliert. Daten für die Validierung des Modells wurden an der Universität Lorraine an einem neu entwickelten Versuchsaufbau erhalten.

 

Auf größerem Maßstab kann der Effekt der Porenhalsverstopfung mit Hilfe des stochastischen Smoluchowskimodells der Partikelansammlung beschrieben werden. Biofilmteile, die hingegen die Größenordnung von Poren haben, können nicht als Kolloiden berücksichtigt werden. Ein anderes mathematisches Modell, bei dem die Porenhalsverstopfung als Partikelansammlungsterm erscheint, muss hierfür entwickelt werden.

 

Verschiedene Varianten des theoretischen Modells sollen analytisch bzw. numerisch gelöst werden. Das Modell, welches das Verhalten im Sondennahbereich am besten beschreibt, soll ausgewählt werden, um es an einer einzelnen Bohrung zu untersuchen. Dabei werden die experimentell bestimmten Parameter genutzt um erste Vorhersagen über die Veränderung der Permeabilität bzw. der Bohrlochinjektivität zu machen.

Simulation des Mehrphasenflusses in Porenspeichern im Feldmaßstab

 

 

Im Rahmen von Vorarbeiten wurde bereits ein numerischer Code auf der Basis von DuMuX erstellt, der in der Lage ist, die hydrodynamischen Prozesse gekoppelt mit einer biochemischen Reaktion (Methanogenese) zu simulieren. Im aktuellen Projekt wurde der numerische Code so erweitert, dass die Simulation von mehreren gleichzeitig stattfindenden biochemischen Reaktionen möglich ist. Berücksichtigt werden dabei zusätzlich Homoacetogenese und Sulfatreduktion. Für umfangreiche Simulationen mit mehr als einer Millionen Freiheitsgrade wurde der numerische Code erfolgreich auf dem Hochleistungsrechner Nord getestet. Die Testläufe zeigten eine effiziente Skalierbarkeit auf mehr als 100 Prozessen.

 

In den nächsten Schritten ist ein Upscaling des entwickelten Modells für den Sondennahbereich vorzunehmen. Wichtig ist dabei, dass die Veränderung der Injektivität bzw. Produktivität auch im Feldmaßstab in die Simulationen eingebunden werden kann.

 

Für die numerischen Simulationen im Feldmaßstab können geologische Modelle von verschiedenen Lagerstätten genutzt werden. Die Speicherzyklen sollen abwechselnde Injektion-, Leerlauf- und Produktionsphasen haben. Anhand der Simulationsstudien sollen Aussagen zu Schwankungen der Gaszusammensetzung über die Zeit in porösen Speichern gemacht werden. Ebenfalls sollen Aussagen zu möglichen Leckageraten durch das Deckgestein gemacht werden.