Aquifer–Analogstudie zur Auswirkung der natürlichen Klüftung auf die CO₂-Speicherung

Land / Region: Deutschland / Nordschwarzwald

Projektanfang: 01.12.2011

Projektende: 30.11.2015

Projektstand: 30.11.2015

Abb. 1: Profilschnitt durch Baden-Württemberg Quelle: LGRB

Als Speichergesteine und potenzielle Zielhorizonte für die Speicherung von CO₂ im tiefen Untergrund kommen in Deutschland in erster Linie Sandsteinformationen mit ausreichender Mächtigkeit in Frage. Dabei handelt sich um poröse bis klüftig-poröse Sandsteine, die z.B. in Rotliegend- und Buntsandsteinabfolgen vorkommen.

Um die Speichereigenschaften dieser Sandsteine bewerten zu können, werden Kernproben aus dem Buntsandstein untersucht und lithologische, mineralogisch-geochemische und physikalische Parameter bestimmt. Die natürliche Klüftung, als weiterer die Speichereigenschaften wesentlich beeinflussender Faktor, kann hingegen nur im Aufschluss gut bestimmt werden. In dieser Aquifer Analogstudie werden daher Klüfte in Steinbrüchen des Mittleren Buntsandstein aus dem Raum Gaggenau (Nordschwarzwald) vermessen und deren Parameter geostatistisch ausgewertet.

Abb. 2: Bohrkern der Forschungsbohrung Kraichgau 1002 Quelle: BGR

Mit Hilfe dieser Untersuchungen können die zuvor im regionalen Umfeld gewonnenen Daten aus Bohrkernen, bei denen die Basis des Buntsandstein z.T. erst in einer Teufe von ca. 670 m angetroffen wurde (vgl. Abbildung 1), besser interpretiert werden.

Die verwendeten Bohrkerne stammen aus dem Bereich natürlicher CO₂-Vorkommen, die auf magmatische Prozesse im oberen Erdmantel zurückzuführen sind. Natürliches CO₂ steigt hauptsächlich entlang von Kluftzonen auf, die anhand der Bohrkerne nur unzureichend beschrieben werden können.

Abb. 3: Steinbruch im Badischen Bausandstein bei Rastatt Quelle: BGR

Die Bohrkerne liefern aber die Möglichkeit, direkt die Wechselwirkung von Fluiden und Gestein zu studieren. Die in Abbildung 2 erkennbaren Farbkontraste könnten in Zusammenhang mit Bleichungsvorgängen stehen, die unter reduzierenden Bedingungen auftreten.

Die detaillierte Kluftaufnahme fand in Aufschlüssen im Nordschwarzwald statt (Abbildung 3), wo Gesteine des Mittleren Buntsandstein und des Unteren Buntsandstein an der Erdoberfläche anzutreffen sind, die stellvertretend für den tiefer liegenden Speicherkomplex Buntsandstein z.B. im Oberrheingraben  untersucht werden können (vgl. Abbildung 1).

Bei den Feldarbeiten wurden zwei unterschiedliche Messverfahren angewendet. Zum einen wurden mittels Gefügekompass Messungen der Kluftorientierung durchgeführt, wobei auch die Kluftabstände und –längen mit erfasst wurden.

Abb. 4: Stereographische Projektion Quelle: BGR

Diese Vermessung erfolgte mittels Scanline-Technik, bei der ein Maßband in einem beliebigen Winkel quer über eine Aufschlusswand gespannt und als Linear eingemessen wurde. Alle Klüfte, die diese Scanline schneiden, wurden wie oben genannt vermessen.

Die Kluftorientierungen wurden als Polpunkte in die untere Lagenkugel projiziert und die Belegungsdichte berechnet (vgl. Abbildung 4). Damit können räumliche Vorzugsrichtungen bestimmt werden.

Abb. 5: Laserscanner im Geländeeinsatz Quelle: BGR

Flach zur Scanline einfallende Klüfte sind statistisch unterrepräsentiert, weshalb vor der Bestimmung der Kluftrichtungsmaxima ein Wichtungsfaktor zur Korrektur verwendet wurde.

Zum anderen wurden mittels eines 3D-Laserscanners vom Typ ILRIS 3D der Fa. Optech Inc. die Aufschlüsse exakt vermessen. Als Referenzobjekte wurden jeweils 4 Kunststoffkugeln auf Stativen verwendet (Abbildung 5). Die Messpunkte wurden in einem Gesamtmodell zusammengeführt (vgl. Abbildung 6).

Abb. 6: Laserscan (Ausschnitt 3D-Modell) Quelle: BGR

Mit Hilfe der gewonnenen Daten besteht die Möglichkeit, die Werte aus den Handmessungen durch Messungen am 3D-Modell zu ergänzen und zu verifizieren.

In einem weiteren Arbeitsschritt können die statistisch bearbeiteten Daten zur Erstellung eines geologischen 3D-Kluftmodells verwendet werden. Dazu soll die Software SKUA-GOCAD™ mit dem Fracture Modeling Modul (FracMV™) von Paradigm® zur Anwendung kommen.

Abb. 7: Mögliche Perkolationswege Quelle: BGR

Das 3D Modell wird anhand der Orientierung und Länge der Klüfte berechnet, um die Porosität und Permeabilität geklüfteter Gesteine und somit ihre Transporteigenschaften zu bestimmen. Entscheidend für das Ausmaß der bruchgebundenen Migration von Fluiden und die Gebirgsdurchlässigkeit ist, ob die Bruchdichte ausreicht, um ein verbindendes Bruchnetz zu bilden und die sogenannte Perkolationsschwelle zu erreichen. Die Abbildung 7 zeigt mögliche Perkolationswege bei einem angenommenen vertikalen hydraulischen Gradienten.

Link:

• CORDIS-Projektseite
• ultimateco2.eu
• ULTimateCO₂ - Understanding the long-term fate of geologically stored CO₂

Literatur:

• RUPF, I. und NITSCH, E. (2008): Das Geologische Landesmodell von Baden-Württemberg: Datengrundlagen, technische Umsetzung und erste geologische Ergebnisse - LGRB-Informationen 21. Regierungspräsidium Freiburg - Abt. 9 (Hrsg.); Freiburg i. Br.

Förderungsnummer:

Topic ENERGY.2011.5.2-1: Understanding the long-term fate of geologically stored CO2; Contract Number:281196