Statistische Evaluierung von nichtlinearen Effekten auf rauen und gescherten Kluftoberflächen

Statistische Evaluierung von nichtlinearen Effekten auf rauen und gescherten Kluftoberflächen

Robert Egert, Fabian Nitschke, Maziar Gholami Korzani, Thomas Kohl

Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland

Die Kenntnis hydraulischer Eigenschaften, wie beispielsweise der Permeabilität, ist von essenzieller Bedeutung um natürliche Gesteine und deren Eignung als geothermisches Reservoir, nukleares Endlager oder im Tunnelbau zu beschreiben. Während einige Anwendungen niedrige Permeabilitäten bedingen, sind speziell in der Geothermie hohe Fließraten und Durchlässigkeiten unabdingbar für eine erfolgreiche Exploration. Im Fall von Enhanced Geothermal Systems (EGS) findet sich diese Fluidwegsamkeit bevorzugt entlang von Klüften. Diese Klüfte können dabei hochvariable Geometrien und Eigenschaften aufweisen. Sie können (variabel) geöffnet oder verschlossen sein, eine glatte oder raue Oberfläche aufweisen und komplexe Muster annehmen. All diese Faktoren führen zu einer komplexen Vorhersagbarkeit von Fluidwegsamkeiten und dem Fließverhalten im geklüfteten Reservoir und auch in der Erstellung von numerischen Modellen.

Oftmals werden vereinfachte Modelle genutzt, die das Fließverhalten entlang simplifizierter Klüfte im Reservoir beschreiben sollen. Die einfachste Annahme hierbei ist das kubische Gesetz (CL) oder dessen Erweiterung unter Verwendung einer lokalen Öffnungsweite (LCL). Beide haben aber auch ihre Limitierungen gemeinsam. Das Gesetz ist nur anwendbar bei einer einfachen, zweidimensionalen Kluftgeometrie und sehr geringen Fließraten. Sind diese Randbedingungen, beispielsweise in Bohrlochnähe, nicht mehr gegeben, müssen die komplexen und nichtlinearen Navier-Stokes Gleichungen gelöst werden.

Die hier dargestellten Ergebnisse zeigen daher die vollständig dreidimensionale Modellierung von Fluidbewegungen entlang von rauen und gescherten Klüften mittels der Lösung der Navier-Stokes Gleichungen. Auf der Basis einer Vielzahl von statistisch erstellten, hochvariablen und tortuosen Kluftoberflächen und -morphologien, werden die Effekte verschiedener Druckgradienten und Fließrichtungen auf die Entstehung von präferenziellen Fluidwegsamkeiten und zu erwartenden Fließraten untersucht. Darüber hinaus werden die mit der Fließrate zunehmenden nichtlinearen Effekte quantifiziert und die Unterschiede und Unsicherheiten bezüglich einer vereinfachten zweidimensionalen Modellierung mittels des LCL aufgezeigt. Die Ergebnisse zeigen eine Kanalisierung und Fokussierung der Fluidbewegungen auf wenig Kluftfläche und eine starke Richtungsabhängigkeit. Während bei einem angelegten Druckgradienten parallel zur Scherrichtung das LCL eine Überschätzung der Fließrate von 15 % Differenz aufweist, zeigen Fließraten senkrecht zur Scherrichtung eine Different von < 5 %.

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