Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland
Die Übertragbarkeit klassischer hydrogeologischer Konzepte im Bereich der Reservoirmodellierung auf typische Problemstellungen der Geothermie in geklüftetem Medium ist nach wie vor mit großen Unsicherheiten verbunden. Hohe Fließraten, vor allem im bohrlochnahen Bereich, führen zu nicht-linearem turbulenzähnlichem Strömungsverhalten mit Reynoldszahlen >>100, das weit über den Validitätsbereich (sub-)laminarer Darcy-Fließgesetze hinausgeht. In diesem Zusammenhang sind zentrale Fragestellungen hinsichtlich Hydraulik, Transport und ihre Auswirkungen auf die Fluidchemie nach wie vor ungeklärt.
Gängige numerische Modelle (Cubic Law, etc.) bilden insbesondere in diesem Bereich die Wirklichkeit typischerweise als sehr starke Vereinfachung ab. Andere Ansätze bedürfen Parametrisierungen (z.B. Forchheimer), welche meist nicht darstellbar sind. Die korrekte physikalische Beschreibung des Fließens mittels Navier-Stokes-Gesetz ist rechnerisch extrem zeitaufwendig und auf größerem Maßstab (Reservoirmaßstab) nur schwierig zu realisieren. Die Wahl des Modells hängt schlussendlich von der Fragestellung, der Verfügbarkeit von Daten (hydraulische Parameter) und des Maßstabs (zeitlich und räumlich) ab. Wir haben eine Vielzahl von numerischen Modellierungen zum Fließen auf gescherten rauen Klüften durchgeführt. Untersucht wurden Einflüsse der unterschiedlichen Fließgesetze (Local Cubic Law, Navier-Stokes, etc.), des Scherversatzes, der Strömungsrichtung zur Scherrichtung und Channel-Bildung. Die große Anzahl an Einzelmodellierungen erlaubt eine statistische Auswertung der Ergebnisse.
Um diese Modellergebnisse anhand kontrollierter und reproduzierbarer Laboruntersuchungen evaluieren zu können, wurde das einzigartige F4aT-Labor (Forced Fracture Fluid Flow and Transport) aufgebaut. Das Ziel der Experimente ist die Ermittlung der Validitätsbereiche bestehender Fließgesetze, Parametrisierung von Modellen und Untersuchung von sensitiven Einflussgrößen.
Der Versuchsaufbau bildet eine Funktionseinheit, bestehend aus einem 3D-Scanner, einem 3D-Drucker und dem eigentlichen hydraulischen Versuchstand. Diese Instrumentenkombination ermöglicht das Messen von Oberflächen natürlicher Gesteinsproben mittels Scanner. Diese können dann per Drucker in großer Stückzahl (mit den gleichen oder ähnlichen geometrischen Eigenschaften) reproduzieren werden. Mittels erneutem Scan wird eine Qualitätssicherung der erzeugten Probe vorgenommen, um dann die eigentlichen hydraulischen Versuche durchzuführen. Dieser Versuchsaufbau versetzt uns in die einzigartige Lage die Hydraulik auf rauen Klüften auf experimenteller Seite probabilistisch zu quantifizieren, was bisher einzig mittels numerischer Modelle möglich war. Neben der Quantifizierung des Einflusses der Rauigkeit der Kluftoberfläche, stehen hier vor allem die Untersuchung von Channel-Bildung, Transportprozessen und Auswirkungen der Hydraulik auf die Fluidchemie im Vordergrund.
