Mit virtuellen Bohrkernen lassen sich die Eigenschaften potenzieller Speicher für Wärme, Druckluft oder Gas ohne wirkliche Bohrungen untersuchen

Der virtuelle Bohrkern aus Bentheim Sandstein zeigt, wie durchlässig das Material ist. Bild: Maria Wetzel / GFZ

In den Simulationen wird der natürliche Entstehungsprozess etwa von lokalem Sandstein nachgestellt

Für die unterirdische Speicherung von Wärme, Druckluft oder Gas und genauso für die Gewinnung von Erdwärme sind bestimmte mechanische und hydraulische Eigenschaften der Gesteine in der Tiefe eine Grundvoraussetzung. So entscheiden bei Sandsteinen die Struktur und Verteilung von Sandkörnern und Poren darüber, ob eine Formation technisch und wirtschaftlich effizient genutzt werden kann. Mit virtuellen Bohrkernen lassen sich die Eigenschaften potenzieller Standorte ohne kostspielige Feldversuche und aufwändige Laboranalysen untersuchen. Ein Team um Maria Wetzel vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) hat einen neuen Ansatz zur „Herstellung“ solcher Bohrkerne für drei Arten typischer Reservoirsandsteine entwickelt. Dabei wird der natürliche Prozess der Entstehung nachgeahmt.

Die digitale Gesteinsphysik entwickelt sich zu einem wichtigen Werkzeug, um die Verfügbarkeit von Georessourcen zu bewerten und den geologischen Untergrund nachhaltig und umweltfreundlich zu nutzen. In den letzten Jahren haben Fortschritte bei den bildgebenden Verfahren und die weiter gestiegene Rechenleistung die Simulation verschiedenster physikalischer Prozesse ermöglicht, basierend auf hochaufgelösten digitalen 3D-Abbildungen des Porenraums von Gesteinen mit mehreren Millionen Elementen.

Maria Wetzel und ihre Kollegen Thomas Kempka und Michael Kühn, alle vom GFZ und der Universität Potsdam, haben nun einen neuen Ansatz vorgestellt, mit dem sie typische Referenzgesteine in digitalen Modellen präziser und naturgetreuer als bisher nachbilden können. Entwickelt wurde das Verfahren an drei Sandsteinen, die zum Beispiel im Norddeutschen Becken vorkommen: Fontainebleau, Berea und Bentheim.

Dabei simulieren die Forschender den Prozess der Gesteinsbildung: Zunächst lagern sich Sandkörner unter Einfluss der Schwerkraft als Sedimente ab und verfestigen sich. Wenn Wasser dazukommt, beginnt die sogenannte Zementierung: Vom Wasser mitgetragene gelöste Minerale – Abrieb der Steinchen selbst oder Fremdmaterial – lagern sich vorzugsweise an Kornkontakten und in Porenhälsen ab und verkitten so die Körner miteinander.

Damit ändert sich die Durchlässigkeit des Gesteins, die entscheidend ist, wie effektiv ein Gestein als Speicher genutzt werden kann.

„Neu an unserem Ansatz ist, dass wir die vielfältigen natürlichen Formen, Sortierungen und Größen der Sandkörner berücksichtigen. Daher können wir insbesondere die hochkomplexen Strukturen der Porenräume jetzt sehr gut abbilden, das zeigen die Vergleiche mit den realen Bohrkernen. Und je genauer wir die Prozesse auf der Porenraumskala verstehen, desto besser sind wir in der Lage, deren Effekte auf das gesamte Reservoir hochzurechnen“, betont Wetzel.

Quelle: Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)

(17.06.2021)