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Permeabilitätsreduzierung durch Salzausfällung in porösen Medien
Gerätekonstruktion mit anschließenden Gas-Permeabilitätsmessungen in
Verbindung mit dem Kohlebrand-Projekt des Instituts für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben
Studienarbeit von Manuel Buch Braunschweig/Hannover, Juni 2007
Leitung: Prof. Wolfgang Durner1, Dr. Winfried Kessels2
1Institut für Geoökologie
Abteilung Bodenkunde und Bodenphysik Technische Universität Braunschweig
2Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben
Sektion 4: Geothermik und Grundwasserhydraulik Geozentrum Hannover
1
I. Inhaltsverzeichnis I. Inhaltsverzeichnis............................................................................................................... 1 Tabellenverzeichnis.................................................................................................................... 1 Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................... 1 Zusammenfassung...................................................................................................................... 2 1 Einleitung ........................................................................................................................... 4 2 Material und Methoden ...................................................................................................... 7
2.1 Grundlagen der Permeabilitätsmessung ................................................................. 7 2.2 Aufbau der Messapparatur ................................................................................... 11 2.3 Datenaufnahme..................................................................................................... 12 2.4 Kalibrierung der Druckmessumformer ................................................................12 2.5 Probe/Probenbehälter ........................................................................................... 13 2.6 Aufsalzung und Trocknung der Probenkörper ..................................................... 14 2.7 Bestimmung der petrophysikalischen Eigenschaften Porosität und Dichte......... 14 2.8 Durchführung der Messungen.............................................................................. 16
3 Ergebnisse ........................................................................................................................ 17 3.1 Ergebnisse der Permeabilitätsmessung an den Sandsteinproben ......................... 17 3.2 Ergebnisse der Permeabilitätsmessung an der Kohleprobe.................................. 20
4 Diskussion ........................................................................................................................ 22 4.1. Umsetzung des theoretischen Ansatzes zur Permeabilitätsbestimmung.................. 23 4.2. Fehlerquellen der Messapparatur ............................................................................. 24
5 Literatur............................................................................................................................ 25 6 Anhang ............................................................................................................................. 26
Tabellenverzeichnis Tab. 1: Gemessene und errechnete Werte zur Sandsteinprobe Nr.1, mit einer Zunahme ....... 17 Tab. 2: Die gemessenen Werte der Sandsteinprobe Nr. 2 besitzen eine deutlich größere....... 19
Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Vergleich von Sandstein-Permeabilitäten vor und nach der Salzextraktion (Muck). ... 5 Abb. 2: Druckbehälter im Rohzustand..................................................................................... 11 Abb. 3: Der schematische Versuchsaufbau zur Bestimmung der Gas-Permeabilität. ............. 12 Abb. 4: Der Probenbehälter schematisch im Querschnitt und als fertige Konstruktion der .... 13 Abb. 5: Ein Sandstein-Probenkörper in der Rohfassung und im Schrumpfschlauch mit ........ 14 Abb. 6: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben ........................... 18 Abb. 7: Ein Vergleich der Permeabilitäten der 1.Sandsteinprobe im Rohzustand, ................. 18 Abb. 8: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben Situationen ........ 19 Abb. 9: Ein Vergleich der Permeabilitäten der zweiten Sandsteinprobe im Rohzustand, ....... 20 Abb. 10: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben Situationen ...... 21 Abb. 11: Ein Vergleich der Permeabilitäten der Kohleprobe im Rohzustand, nach............... 21 Abb. 13: Messungen bei geschlossenem System zur Ermittlung von Korrekturwerten.......... 24
2
Zusammenfassung Während des Kohlebergbaues kann es dort, wo Kohle mit Luftsauerstoff in Kontakt tritt, zu
Kohleflözbränden kommen. Dieser Prozess entsteht auf natürliche Weise durch Orogenese
oder Erosion, wodurch Kohleflöze an die Erdoberfläche gelangen und dem Sauerstoff
ausgesetzt sind. Anthropogen verursachte Kohlebrände treten überall da auf, wo der Mensch
eine Sauerstoffzufuhr ermöglicht hat: Sei es im Untertagebau, auf Abraumhalden oder
während Kohletransporten per Schiff und Bahn. Besonders im Bergbau kommt es durch das
Entstehen von Klüften und Spalten zu Kohlebränden, die zuerst langsam beginnen, sich dann
aber immer stärker selbst aufheizen, bis es zum Schwelbrand kommt. Die Verluste an
Brennmaterial und zusätzliche atmosphärische Belastungen durch solche Brände sind
erheblich, weshalb eine Bekämpfung sinnvoll ist. Eine mögliche Option wäre, auf
vorhandenes, kostengünstiges Salzwasser zurückzugreifen, um neben der Eindämmung des
Brandherdes auch eine Permeabilitätsreduzierung durch Salzausfällung und somit eine
Minimierung der Sauerstoffzufuhr zu erreichen.
Ziel meiner Studienarbeit war es, eine einfache Gerätekonstruktion zur Gas-Permeabilitäts-
bestimmung aufzubauen, um zu überprüfen ob eine Permeabilitätsreduzierung durch
Salzausfällung in porösen Medien möglich ist.
Für die theoretisch-mathematische Auswertung wurden die Darcy-Beziehung, das allgemeine
Gasgesetz und die Erhaltungsgleichung für die Gasmasse genutzt. Auf dieser Basis wurde ein
Gerät konstruiert, das basierend auf einer Druckabfallmessung, die Gas-Permeabilität eines
porösen Körpers bestimmt. Für die ersten Untersuchungen wurden zwei Sandsteinproben
mittels Schrumpfschläuchen und Adaptern an das Gerät angeschlossen. Zusätzlich wurde
noch mittels eines extra für die Permeabilitätsmessungen angefertigten Probenbehälters eine
weitere Messung an Kohlebruch durchgeführt. Die Proben wurden zum Aufsalzen in eine
definierte Salzlösung gestellt und anschließend getrocknet.
Die Gerätekonstruktion stellte sich als sehr praktikabel heraus, ohne größere Mängel
aufzuweisen. Lediglich die Dichtigkeit des Systems zeigte Schwächen, so dass Korrektur-
messungen durchgeführt wurden. Die gemessenen Permeabilitäten des geschlossenen Systems
wurden dann von den Werten der Originalmessungen abgezogen. Bei den anschließenden
Messungen der Sandsteinproben und auch des Kohlebruchs zeigte sich ein deutlicher Trend
zur Permeabilitätsreduzierung durch Salzausfällung. . Bei den Sandsteinproben ging die
Permeabilität im Schnitt von fünf auf ein Darcy zurück. Die Permeabilität des Kohlebruchs
reduzierte sich von 4*10-9 m2 auf 2*10-9 m2. Allerdings trat zumindest bei den Messungen
3
der Sandsteinproben eine Zunahme der Permeabilität mit der Zeit auf, was theoretisch nicht
sein kann. Ein wichtiger Aspekt stellte noch die Trocknung der Proben dar. Hier zeigte sich,
das bei der herkömmlichen Trocknung in einem Trockenschrank ein erheblicher Teil des
Wassers im Probenkörper durch Kapillarkräfte erst an den Rand transportiert wurde, bevor er
in die Dampfphase übergehen konnte, so dass die gewünschte Ausfällung im gesamten
Probenkörper nur sehr begrenzt stattfand.
Neben der Behebung der technischen Mängel wie Dichtigkeit ist eine deutlich intensivere
Messphase nötig, um die ersten Trends der Permeabilitätsreduzierung durch Salzausfällung zu
bestätigen und um einen genügend großen Datensatz für den Einsatz in mathematischen
Modellen zu schaffen.
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1 Einleitung Kohleflözbrände, hervorgerufen durch Bergbau und Kohlelagerung auf Halden, sind ein
weltweites Problem. Am Rande der Wüste Gobi in Nordchina existieren als Folge des
intensiven Bergbaus solche Brände in besonderem Maße. Neben geringem Pflanzenwachstum
und Wassermangel fördern hohe Sonneneinstrahlung und kräftige Winde den Selbst-
entzündungsprozess der Kohle. Der nicht unerhebliche wirtschaftliche Schaden, eine
potentielle Gefahr für Bergleute sowie starke klimatische Belastungen haben zu einem
erhöhten Problembewusstsein geführt, so dass im Jahre 2003 das Projekt „Innovative
Technologies for Exploration, Extinction and Monitoring of Coal Fires in North China” von
sieben deutschen und sieben chinesischen Institutionen ins Leben gerufen wurde. Das GGA-
Institut, ein Partner auf der deutschen Seite, ist für die Untersuchung und Modellierung des
Brandprozesses zuständig. Eine potentielle Lösung des Problems stellt das Löschen mit
versalzenem Grundwasser dar. Es schont die Trinkwasserreserven und steht auch in trockenen
Gebieten zur Verfügung. Die wichtigsten Parameter in diesem Zusammenhang sind die
Porosität und Permeabilität des Gesteins, das den Brandherd umgibt. Sie bestimmen die
Luftzufuhr zu der Kohle und beeinflussen somit maßgeblich die Geschwindigkeit und die
Intensität des Brandvorgangs. Die klassische Löschfunktion von normalem Wasser wird
durch das Salzwasser ebenso gut erfüllt, allerdings spielt sie wahrscheinlich nur eine relativ
untergeordnete Rolle bei Kohleflözbränden. Es muß damit gerechnet werden, dass das
Löschwasser gar nicht bis zum eigentlichen Brandherd vordringt, sondern schon in den
umliegenden Gesteinsschichten in die Dampfphase übergeht und den Brandherd vor weiterem
Löschwasser durch eine Dampfschicht abschirmt. Der weitaus wichtigere Effekt, den man
sich erhofft, ist das Verdampfen des Salzwassers in der Nähe des Brandherdes. Im Wasser
gelöste Stoffe, hauptsächlich Salze, bleiben zurück und setzen die Poren des umliegenden
Gesteins zu. Die Porosität und auch die Gas-Permeabilität verringern sich und der Kohlebrand
wird nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt, bis er schließlich erlischt. Um
abschätzen zu können, ob diese Prozesse tatsächlich die erhoffte Wirkung auf die
Permeabilität und Porosität haben werden, sind praktische Permeabilitätsmessungen
durchzuführen. Ähnliche Messungen werden von der Erdöl-/Erdgasindustrie durchgeführt,
um Gas-Lagerstätten bewerten zu können.
5
1E-16
1E-15
1E-14
1E-13
1E-12
1E-11
0 10 20 30
Probennummer
Per
mea
bilit
ät [m
^2]
Permeabilität nach SalzextraktionPermeabilität vor Salzextraktion
Bei salzhaltigen Muttergesteinen wird die Porosität und Permeabilität vor und nach der
Salzextraktion gemessen. Bei Untersuchungen der Mobil Erdgas-Erdöl GmbH zur Porosität
wurden durchschnittlich Erhöhungen um 20 % und bei Permeabilitätsmessungen
Erhöhungen im Bereich von zwei Zehner-Potenzen gemessen.
(Abbildung 1, Muck, 1990).
Abb. 1: Vergleich von Sandstein-Permeabilitäten vor und nach der Salzextraktion (Muck).
Die Bestimmung der Permeabilität erfolgt direkt über die Gleichung für laminares, viskoses
Fließen einer inkompressiblen Flüssigkeit in porösen Medien. Sie geht auf den französischen
Ingenieur Henry Darcy (1856) zurück. Er ließ in einem Experiment Wasser durch eine mit
Sand gefüllte Säule strömen und erkannte dabei, dass zwischen der Durchflussrate Q, dem
durchflossenen Proben- bzw. Säulenquerschnitt A und der Differenz aus hydraulischem
Gradienten ∆h und Probenlänge l eine lineare Abhängigkeit besteht. Dieses als Darcy-
Gleichung bezeichnete Gesetz gilt nur für inkompressible, strömende Medien. Bei der
verallgemeinerten Darcy-Gleichung wird dagegen die Viskosität eines Fluids/Gases
berücksichtigt. Dadurch ist mit der Darcy-Gleichung eine Permeabilität k definiert, die für das
durchströmte Gestein mit seinen Porenraumvernetzungen spezifisch ist. Hierauf basiert die
stationäre Permeabilitätsmessung bei relativ hoher Durchlässigkeit. Die Permeameter
bestehen zumeist aus einem Probenhalter, Leitungen zur Fluid-/Gaseinspeisung, Druckgebern
und einem Volumenstrommesser (von der Bruck et al., 2000).
Da Gas zur Permeabilitätsmessung eingesetzt wird, ist dessen Kompressibilität bei der
Auswertung zu berücksichtigen. Die Gasdichte ändert sich beim Durchströmen durch den
Druckabfall. Besteht zwischen Innendruck und Außendruck eine große Differenz stellt sich in
der Probe eine nichtlineare Druckverteilung ein, die noch zusätzlich durch eine
druckabhängige Viskosität des Gases verstärkt wird. In einem solchen Fall muß mit einem
Per
mea
bili
tät [
m2]
6
mittleren Porendruck über die gesamte Probe gearbeitet werden. Dieses Problem kann
vernachlässigt werden, wenn der Differenzdruck vor und hinter der Probe möglichst gering
ist, so dass der Druckverlauf in der Probe als linear angenommen werden kann (Tyner et al.,
2005).
Neben der Eigenschaft der Kompressibilität unterscheidet sich Gas auch im Strömungs-
verhalten von einer Flüssigkeit. Die Geschwindigkeit von Gasströmungen verschwindet nicht
an der Kapillarwand, so dass die viskose Strömung von einer sogenannten Gleitströmung
überlagert ist. Bei gleichem Druckgradienten strömt ein im Vergleich zu Flüssigkeiten
größeres Gasvolumen durch die Kapillaren der zu untersuchenden Probe, als mit der Darcy-
Gleichung vorhergesagt wird. Um nun eine vom Strömungsmedium unabhängige
Permeabilität zu ermitteln, ist eine von Klinkenberg (1941) eingeführte Korrektur nötig. Da
der Anteil der Gleitströmung an der gemessenen Gaspermeabilität mit Zunahme der freien
Weglänge oder abnehmendem Porenradius zunimmt, ist die gleitströmungsbedingte
Permeabilitätsreduktion umso größer, je kleiner die Permeabilität ist (Trautwein, 2005). Bei
einer 100 Milli-Darcy (mD)-durchlässigkeit der Probe ist nach Rieckmann (1971) eine
Reduktion um ca. 10 %, bei einer 10 mD-Probe um ca. 20 %, bei einer 1 mD-Probe um ca. 30
% und bei einer 0,1 mD-Probe um ca. 40 % erforderlich.
Aufgrund der Rahmenbedingungen dieser Arbeit sollten neben einer möglichst einfachen und
robusten Konstruktion eines Permeameters für einen eventuell anstehenden späteren
Feldeinsatz erste Datensätze auf der Grundlage von ermittelten Druckabfallkurven mit
möglichen Trends der Permeabilitätsreduzierung durch Salzausfällung gemessen und
ausgewertet werden.
7
2 Material und Methoden
2.1 Grundlagen der Permeabilitätsmessung Die direkte Bestimmung der Permeabilität k der zu untersuchenden Gesteinsproben kann nur
über eine Fließratenbestimmung und über eine Bestimmung des Druckgradienten über der
Probe ermittelt werden. Hierzu ist ein Druckbehälter mit festem Volumen gewählt worden, in
dem die zeitliche Änderung des Drucks bestimmt wird. Der Druckausgleich in der Probe wird
im Verhältnis zum Druckabfall im Vorratsbehälter als schnell angesehen. Dies ist gegeben,
wenn das Gasvolumen im Vorratsbehälter wesentlich größer als das Gasvolumen im
Porenraum der Probe ist. Als physikalischer und mathematischer Ausgangspunkt bietet sich
die Darcy- Beziehung nach Gleichung 1 an.
x
Pkj
∂∂⋅⋅−=
ηρ
(1)
j = Massenstromdichte [kg*m-2*s-1]
ρ = Gasdichte [kg*m-3]
η = Viskosität [Pa*s]
k = Permeabilität [m2]
∂P/∂x = Druckgradient [Pa*m-1]
Die zu berechnende Permeabilität k als Zielgröße erhält man durch Umstellen, so dass sich
Gleichung 2 ergibt.
xP
jk
∂∂⋅⋅= 1
ρη
(2)
Hier ist es nötig die Massenstromdichte j und die Gasdichte ρ durch die gemessenen Drücke
zu ersetzen.
8
Dafür findet das allgemeine Gasgesetz, Gleichung 3, Anwendung.
TRnVP ⋅⋅=⋅ (3) P = Druck [Pa]
V = Gasvolumen des Druckbehälters [m3]
n = Molzahl [Mol]
R = Universelle Gaskonstante [J*Mol-1*K -1]
T = Temperatur [K]
Die Molzahl n wird durch den Quotienten von Masse m und Molmasse M ersetzt und man
erhält Gleichung 4.
TRM
mVPB ⋅⋅=⋅ (4)
PB = Behälterdruck [Pa]
m = Masse [kg]
M = Molmasse [g*Mol-1]
Über die Beziehung
V
m=ρ
kann Gleichung 4 auch wie folgt geschrieben werden
TRM
PB ⋅⋅= ρ
und es ergibt sich Gleichung 5,
TR
MPB
⋅⋅=ρ (5)
9
die die nötige Gasdichte der Darcy-Beziehung in Gleichung 2 ersetzt. Da im nun folgenden
Teil, die Massenstromdichte berechnet wird, ist die Gasdichte nur für die Bestimmung der
Masse im Behälter notwendig.
Um die Massenstromdichte j in Gleichung 2 zu berechnen wird die Erhaltungsgleichung für
die Gasmasse im Vorratsbehälter hinzugezogen, für die Gleichung 6 gilt.
dvt
dfjF V∫∫ ∫∫∫ ∂
∂=⋅
ρ (6)
j = Massenstromdichte [kg/m2/s]
f = Fläche [m2]
t = Zeit [s]
v = Volumen Druckbehälter [m3]
ρ I = Gasdichte Behälter [kg/m3]
Die Massenstromdichte j wird in der Probe als räumlich konstant angenommen, dadurch kann
das Oberflächenintegral durch eine Multiplikation von j mit der Fläche A berechnet werden.
Der Druck im Vorratsbehälter wird ebenfalls als räumlich konstant angenommen, so dass das
Volumenintegral durch die Multiplikation des Integranden mit dem Volumen des Vorrats-
behälters ersetzt werden kann. Hieraus ergibt sich Gleichung 7.
Vt
Aj I ⋅∂
∂=⋅ ρ (7)
Nun wird Gleichung 5 in Gleichung 7 eingesetzt,
VtTR
PMAj B ⋅
∂⋅⋅∂⋅=⋅
und man erhält durch Umstellen Gleichung 8.
t
P
TR
MVAj B
∂∂⋅
⋅⋅=⋅ (8)
10
Da als Daten Differenzdrücke gemessen werden, erhält man aus Gleichung 4 über
Umformung Gleichung 9, womit die Masseänderung pro Zeit berechnet werden kann.
BPTR
MVm ⋅
⋅⋅=
t
P
TR
MV
t
m B
∂∂⋅
⋅⋅=
∂∂
(9)
Jetzt kann man Gleichung 8 und Gleichung 9 gleichsetzen
t
P
TR
MVAj
t
m B
∂∂⋅
⋅⋅=⋅=
∂∂
und erhält für die Massenstromdichte j Gleichung 10.
At
mj
⋅∂∂= (10)
Somit können die Variablen j und ρ in Gleichung 2 über die gemessenen Druckvariablen
berechnet werden und man erhält eine Permeabilität basierend auf einer Druckabfallmessung.
11
2.2 Aufbau der Messapparatur Die Gerätekonstruktion sollte möglichst einfach sein und zumindest teilweise aus
vorhandenen Ressourcen des Geozentrums Hannover entstehen. Für den Druckbehälter wurde
auf einen handelsüblichen Kompressorbehälter (Firma Otto Klein) mit einem Volumen von
20 Litern und einem Maximaldruck von 10 bar zurückgegriffen (Abbildung 2).
Abb. 2: Druckbehälter im Rohzustand.
Dies ermöglichte einen Anschluss an das hausinterne Druckleitungsnetz über Schnellkupp-
lungen. Außerdem waren 1/2 Zoll Gas-Anschlussgewinde vorhanden, an die das weitere
Messsystem angeschlossen werden konnte. Von dem Behälter abgehend führt ein Schlauch
mit 16 mm Durchmesser zu einem Reduzierstück. Von dort geht ein Schlauch mit 8 mm
Durchmesser zum Druckregelventil. Dazwischen führt ein Anschluss über eine T-
Steckverbindung zu einem Druckmessumformer, der den Innendruck des Behälters misst.
Nachdem der Druck hinter dem Druckregelventil auf ca. 50 kPa reduziert wird kommt eine
weitere T-Steckverbindung an die der zweite Druckmessumformer angeschlossen ist und den
Druck vor der Probe aufnimmt. Nun folgt das Präzisionsdrosselrückschlagventil, das für einen
gleichmäßigen Fluss sorgt. Den Abschluss bildet der Probenadapter, an dem die zu messende
Probe befestigt wird (Abbildung 3).
12
Abb. 3: Der schematische Versuchsaufbau zur Bestimmung der Gas-Permeabilität.
2.3 Datenaufnahme Die zwei Druckmessumformer wurden an den Datenlogger Gigalog F der Firma ControLord
angeschlossen, der über eine Ausgangsspannung von 0-2,5 V oder 0-20 mA verfügte. Der
Druckmessumformer der Firma Wika benötigt eine Spannung von 10-30 V, so dass hier mit
einer externen Stromquelle gearbeitet wurde. Der Druckmessumformer der Firma Phytec mit
einer Betriebsspannung von 5 V konnte über einen im Datenlogger integrierten
Spannungsteiler versorgt werden. Über PC konnte nun der Datenlogger programmiert und auf
die jeweiligen Proben eingestellt werden. Es stellte sich heraus, dass Messintervalle von 1-10
Sekunden ausreichten, um eine genügend hohe Auflösung des Druckabfalls zu bekommen.
Die Daten werden in ASCII Format auf eine CF-Speicherkarte geschrieben und können in
Microsoft Exel weiter bearbeitet werden.
2.4 Kalibrierung der Druckmessumformer
Der Druckmessumformer der Firma Phytec, der vor der Probe eingesetzt wurde, wurde
mittels einer Zweipunktmessung in einer 1m Wassersäule kalibriert. Der zweite Druckmess-
13
umformer, der den Behälterinnendruck misst, wurde über eine Zweipunktmessung zwischen
acht und ein bar Druck mit anschließender Gradengleichung kalibriert.
2.5 Probe/Probenbehälter An die zu untersuchenden Proben wurden keine besonderen Ansprüche gestellt, so dass der
Schwerpunkt auf der technischen Realisierung des Probenaufnahmebehälters lag. Er musste
korrosionsbeständig gegenüber Salzwasser sein. Außerdem sollten Randläufigkeiten
verhindert werden, so dass die Probenaufnahme leicht konisch ausgebildet wurde. Eine hoch
gasdurchlässige aber mechanisch stabile Distanzschicht an der Ober- und Unterseite der Probe
aus 2 mm feinem Siebmaterial mit einer Maschenweite von 0,2 mm sorgte für einen kon-
stanten horizontalen Gasdruck. Abbildung 4 zeigt den Behälter schematisch und im Original.
Abb. 4: Der Probenbehälter schematisch im Querschnitt und als fertige Konstruktion der Werkstatt.
Er wurde in der hausinternen Werkstatt angefertigt. Da es sich lediglich um einen Proben-
behälter und somit einen Einzelmessungszyklus handelte wurde noch ein alternativer unkon-
ventioneller Probenbehältertyp entwickelt. Es wurden aus drei vorhandenen Bohrkernen der
der Herbigshagener Bohrung aus dem Sollinger Buntsandstein zwei Kerne mit einem
Durchmesser von 36 mm und ein Kern mit einem Durchmesser von 28 mm erbohrt
(Abbildung 5). Mittels drei Schrumpfschläuchen wurde nun jeder einzelne Kern mit einem
extra angefertigten Adapter verbunden. Um auch bei diesen Proben Randläufigkeiten zu
vermeiden, wurden die Kerne, bevor sie in den Schrumpfschlauch kamen, mit einer dünnen
Schicht Silikon bestrichen. Die so vorbehandelten Kerne konnten nun an die Messanlage
angeschlossen und ihre Permeabilität bestimmt werden.
14
Abb. 5: Ein Sandstein-Probenkörper in der Rohfassung und im Schrumpfschlauch mit Anschlussadapter.
2.6 Aufsalzung und Trocknung der Probenkörper
Hierbei wird der trockene, nach außen isolierte Probenkörper bis kurz unter den oberen Rand
in Salzwasser mit definiertem Salzgehalt gestellt und solange getränkt, bis ein deutlicher
Farbumschlag aufgrund der benetzenden Feuchtigkeit am oberen Probenkörper zu erkennen
ist. Ist dies geschehen, lässt man den Probenkörper nach der Entnahme noch ca. eine Minute
abtropfen. Danach wird er gewogen und in einem Trockenschrank bei 90°C über Nacht, oder
mindestens 12 h getrocknet. Der erhoffte Effekt besteht in der Ausfällung des gelösten Salzes
innerhalb des Probenkörpers zur Verringerung der Porosität und damit einhergehend eine
Reduzierung der Permeabilität.
2.7 Bestimmung der petrophysikalischen Eigenschaften Porosität und Dichte
Die Bestimmung der petrophysikalischen Gesteinseigenschaften im unbelasteten Zustand
wird normalerweise mit gängigen Standardmethoden erledigt. Für die Messung von Porosität
und Dichte ist das die kombinierte Sättigungs-Auftriebsmethode nach Archimedes
(Trautwein, 2005), bei der erst das Trockengewicht der Gesteinsprobe nach dreitägiger
Trocknung bei 60°C in einem Vakuumtrockenschrank bestimmt wird. Anschließend erfolgt
eine Aufsättigung mit Wasser über 5 Tage wonach anschließend die Masse der gesättigten
Probe, das Gewicht der Probe unter Auftrieb im Sättigungsfluid sowie die Dichte des
Sättigungsfluids gemessen wird. Mit diesen Parametern können dann Porenvolumen,
15
Probenvolumen, Porosität, Trockendichte, Matrixdichte und Gesamtdichte des gesättigten
Gesteins berechnet werden. Da diese Messungen den Umfang der Studienarbeit noch
erheblich vergrößert hätten, wurde auf diese Verfahrensweise verzichtet. Im weiteren Verlauf
wurden deshalb für die Dichte und die Porosität auf die folgenden einfachen Zusammenhänge
zurückgegriffen.
Dichte [kg*m-3]:
GV
m P=ρ
mp = Gesamtmasse Probe [kg]
VG = Gesamtvolumen Probe [m3]
Porosität [%]:
100 100f
G
V
VΦ = − ⋅
Vf = Volumen der Festsubstanz [m3]
Um der unterschiedlichen Dichte von NaCl und dem Probenkörpermaterial (hier
näherungsweise Quarz mit 2,65 g*cm-3) Rechnung zu tragen, wurde das Volumen der
Festsubstanz aus der Summe vom Probenkörpervolumen und Salzvolumen berechnet.
1 21 2
1 2
P Pfges f f
s s
m mV V V
ρ ρ= + = +
Vf 1 = Volumen der ersten Festsubstanz [m3]
Vf 2 = Volumen der zweiten Festsubstanz [m3]
Vf ges = Gesamtvolumen der Festsubstanz [m3]
ρs1 = spezifische Dichte [kg*m-3] (Quarz = 2,65 g*cm-3, Scheffer; Schachtschabel, 2002)
ρs2 = spezifische Dichte [kg*m-3] (NaCl = 2,16 g*cm-3, Holleman, Wiberg,1985)
mp1 = Gesamtmasse Probe ohne NaCl [kg]
mp2 = Masse NaCl in Probenkörper [kg]
16
2.8 Durchführung der Messungen Die Messungen erfolgten immer nach dem gleichen Prinzip:
1. Wägung der Sedimentprobe zur Bestimmung der Probendichte und Ableitung der
Salzkonzentration durch Vergleich mit der im vorhergehenden Zyklus bestimmten
Dichte
2. Durchströmungsmessung der Sedimentprobe zur Permeabilitätsbestimmung bei
Raumtemperatur
• Messsystem unter Druck setzen, indem der Druckbehälter befüllt wird
• Kontrolle des Druckregulierungsventils, eingestellt auf 100 kPa, zum Schutz
des zweiten Druckmessumformers, der nur für maximal 110 kPa ausgelegt ist
• Sperrhahn zum Druckmessumformer öffnen, danach Sichtkontrolle des Drucks
am Datenlogger (ca. 30-50 kPa)
• Sperrhahn zur untersuchenden Probe öffnen
• Stationäre Strömung abwarten
• Datenloggeraufzeichnung starten, ca. 5-10 min Dauer
3. Sättigung der Sedimentprobe mit Salzwasser bei gegebener Salzkonzentration von
300g/l ohne Salzwasseraustritt an der Unterseite der Probe.
4. Wägung der feuchten Sedimentprobe zur Bestimmung der Probendichte und
Ableitung der Salzkonzentration.
5. Aufheizung der Probe im Muffelofen bei ca. 90 °C über Nacht.
6. Wägung der Sedimentprobe zur Bestimmung der Probendichte und Ableitung der
Salzkonzentration. Die Wasserkonzentration (Wassergehalt) im Sediment und die
Porosität wird durch Vergleich der Dichte im vorhergehenden Zyklus (4.) bestimmt.
7. Start eines neuen Zyklus mit Versuchsoperation 1.
17
3 Ergebnisse
3.1 Ergebnisse der Permeabilitätsmessung an den Sandsteinproben Für den in der ersten Probe untersuchten Sandstein ergaben sich die in Tab. 1 dargestellten
Werte. Dabei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der möglicherweise nicht vollständigen
Trocknung der Proben noch Restwasser enthalten war, was zu einer Verfälschung der
Ergebnisse führen würde. Neben der Zunahme der Dichte ist auch eine deutliche
Porositätsreduzierung zu beobachten.
Tabelle 1: Gemessene und errechnete Werte zur Sandsteinprobe Nr.1, mit einer Zunahme
des Gewichts durch Salzausfällung und einer Porositätsreduzierung von jeweils ca. 2%.
In Abbildung 6 ist der Abfall des Behälterinnendrucks über die Zeit aufgetragen. Eine
wichtige Beobachtung stellt der komplett identische Druckabfall bei der Rohmessung und
nach der zweiten Aufsalzung dar.
Standard Zyklus 1 Zyklus 2
Volumen V 56,6 cm3 56,6 cm3 56,6 cm3
Masse m 130,0 g 133,0 g 135,7 gMasse nass n 143,9 g 145,4 g 147,4 gMasse Wasser mw 13,9 g 12,4 g 11,7 g
Dichte p 2,29 g/cm3 2,4 g/cm3 2,47 g/cm3
Wassergehalt q 10,7% 9,3% 8,6%Porosität f 13,4% 10,9% 8,7%
18
500000
600000
700000
800000
900000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Zeit t [s]
Dru
ck [P
a]
Behälterinnendruck Rohmessung
Behälterinnendruck 1. Aufsalzung
Behälterinnendruck 2. Aufsalzung
Abb. 6: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben
Situationen der ersten Sandsteinprobe.
Die dazugehörigen berechneten Permeabilitäten, siehe Kapitel 2.1, ergaben durchaus übliche
Durchlässigkeiten von Sandsteinen, die im Bereich von 0,5 – 5 Darcy liegen. Es ist eine
deutliche Abnahme der Permeabilitäten mit zunehmenden Aufsalzungszyklen zu beobachten
(Abbildung 7).
0
9E-13
1,8E-12
2,7E-12
3,6E-12
4,5E-12
5,4E-12
0 50 100 150 200 250 300
Zeit [s]
Per
mea
bilit
ät [m
2 ]
Permeabilitätsmessung roh
erste Aufsalzung
zweite Aufsalzung
Abb. 7: Ein Vergleich der Permeabilitäten der 1.Sandsteinprobe im Rohzustand,
nach der ersten und nach der zweiten Aufsalzung.
19
Bei der zweiten Sandsteinprobe wurden die in Tabelle 2 dargestellten Werte ermittelt. Auch
hier ist eine Massenzunahme durch die Salzausfällung im Probenkörper zu beobachten, was
zu einer höheren Dichte und einer geringeren Porosität führt.
Tabelle 2: Die gemessenen Werte der Sandsteinprobe Nr. 2 besitzen eine deutlich größere
Porosität als die erste Sandsteinprobe.
In Abbildung 8 sind wie bei der ersten Sandsteinprobe die gemessenen Druckabfallkurven
gegen die Zeit aufgetragen. Während bei den ersten zwei Messungen, also im Rohzustand und
nach der ersten Aufsalzung relativ schnell der Druck im Behälter nachlässt, sinkt er nach der
zweiten Aufsalzung deutlich langsamer. Der frühe Abbruch der Messung ist auf eine
technische Panne während der Messung zurückzuführen.
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
900000
0 1000 2000 3000 4000 5000
Zeit t [s]
Dru
ck [P
a]
Behälterinnendruck Rohmessung
Behälterinnendruck 1. Aufsalzung
Behälterinnendruck 2. Aufsalzung
Abb. 8: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben Situationen
der zweiten Sandsteinprobe.
Standard Zyklus 1 Zyklus 2
Volumen V 71,3 cm3 71,3 cm3 71,3 cm3
Masse m 146,0 g 149,4 g 152,0 gMasse nass n 161,2 g 163,4 g 165,5 gMasse Wasser mw 15,2 g 15,0 g 13,5 g
Dichte p 2,05 g/cm3 2,10 g/cm3 2,13 g/cm3
Wassergehalt q 10,5% 9,4% 8,9%Porosität f 22,7% 20,4% 18,7%
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Die zugehörigen Permeabilitätsberechnungen ergaben bei zunehmender Aufsalzung zwar
ebenfalls eine Reduzierung wie auch bei der ersten Sandsteinprobe, allerdings nehmen die
Permeabilitäten der ersten und zweiten Messung mit der Zeit deutlich zu, wie in Abb.5 zu
sehen ist.
0
9E-13
1,8E-12
2,7E-12
3,6E-12
4,5E-12
5,4E-12
6,3E-12
7,2E-12
8,1E-12
0 50 100 150 200 250 300
Zeit [s]
Per
mea
bilit
ät [m
2 ]
Permeabilitätsmessung roherste Aufsalzungzweite Aufsalzung
Abb. 9: Ein Vergleich der Permeabilitäten der zweiten Sandsteinprobe im Rohzustand,
nach der ersten und nach der zweiten Aufsalzung.
3.2 Ergebnisse der Permeabilitätsmessung an der Kohleprobe
Der Abfall im Druckbehälter bei den drei Messungen am Kohlenbruch ist in Abb.10 zu sehen.
Die Tatsache, dass mit zunehmenden Aufsalzungszyklen der Behälterdruck langsamer
abnimmt, spiegelt sich auch in den Permeabilitäten wieder. Hier ergaben die berechneten
Permeabilitäten der Kohle im konstruierten Probenbehälter sehr hohe Werte, die aber relativ
konstant über die Zeit blieben (Abbildung 11). Die hohen Permeabilitäten sind auf das
manuelle Befüllen des Behälters mit Kohlebruch zurückzuführen, wobei eine hohe
Durchlässigkeit der Probe entstand.
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Abb. 10: Vergleich des Druckabfalls im Behälter bei verschiedenen Proben Situationen
der Kohlenbruchprobe.
0,E+00
1,E-09
2,E-09
3,E-09
4,E-09
5,E-09
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Zeit [s]
Per
mea
bilit
ät [m
2 ]
Permeabilitätsmessung roh
erste Aufsalzung
zweite Aufsalzung
Abb. 11: Ein Vergleich der Permeabilitäten der Kohleprobe im Rohzustand, nach
der ersten und nach der zweiten Aufsalzung.
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4 Diskussion Die Ergebnisse der Studienarbeit zeigen eine deutliche Permeabilitätsreduzierung durch Salz-
ausfällung. Bei den Sandsteinproben ging die Permeabilität im Schnitt von fünf auf ein Darcy
zurück. Die Permeabilität des Kohlebruchs reduzierte sich von 4*10-9 m2 auf 2*10-9 m2. Eine
deutliche Verbesserung der Messtechnik ist trotzdem anzustreben, um Probleme wie
Druckabfall im System und Randläufigkeiten zu vermeiden. Ein zu Anfang eher neben-
sächlicher Aspekt der Studienarbeit stellte die Trocknung der Proben nach dem Aufsalzen dar.
Hier zeigte sich, dass bei der herkömmlichen Trocknung in einem Trockenschrank ein
erheblicher Teil des Wassers im Probenkörper durch Kapillarkräfte erst an den Rand
transportiert wurde, bevor es in die Dampfphase übergehen konnte, so dass die gewünschte
Ausfällung im gesamten Probenkörper nur teilweise stattfand. Stattdessen fielen große
Mengen an Salz am Rand oder sogar ausserhalb des Probenkörpers aus (Abbildung 12).
Dies führte zu einer hohen Abdichtung an der Ober- und Unterseite des Probenkörpers. Die
Messungen an diesen Proben ergaben keine verwendbaren Daten. Aus diesem Grund wurden
die Probenkörper nach der Trocknung mechanisch von außen anhaftendem Salz befreit und
erst dann gemessen. Versuche, die Trocknung mit einer handelsüblichen Mikrowelle zu
Abb. 12: Ein Probenkörper nach der Aufsalzung und Trocknung mit
deutlichen Ausblühungen an der Unterseite.
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bewerkstelligen, scheiterten an der hohen Volumenzunahme des Wassers beim Übertritt in die
Dampfphase: die Probenkörper zerbarsten. Für den Prozess der Permeabilitätsreduzierung
durch Salzausfällung ist also mit entscheidend, welche Art von Wärmequellen das Wasser in
die Dampfphase bringen und deren Lage im Porenraum. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die
Existenz präferenzieller Fließwege und das Vorhandensein von Klüften, die entweder das
Löschwässer zum Brandherd transportieren, oder den entstehenden Wasserdampf ableiten.
Bei dem gegebenen Problem der Kohlebände, bei denen die Wärmequelle offenes Feuer bzw.
heißes, den Brandherd umgebendes Gestein ist und die Permeabilitätsreduzierung in genau
diesen Bereichen stattfinden soll, ist davon auszugehen, dass es zu einer deutlichen
Reduzierung der Permeabilität kommt, da das Löschwasser vorzugsweise an diesen Stellen in
die Dampfphase übergehen und gelöstes Salz zurücklassen wird.
4.1. Umsetzung des theoretischen Ansatzes zur Permeabilitätsbestimmung In Abbildung 7, aber noch deutlich stärker in Abbildung 9 ist eine Zunahme der Gas-
Permeabilität über die Zeit also auch mit abnehmendem Behälterinnendruck zu beobachten.
Diese Abweichung vom Darcy-Gesetz kann durch verschiedene Effekte verursacht werden.
Neben möglichen Wechselwirkungen der Matrix mit dem Gas können Abweichungen vom
viskosen Fließen auftreten, was dem Klinkenberg-Effekt entspräche (Riepe, 1984). Allerdings
treten diese Effekte nicht unter stationären und laminaren Bedingungen auf, so dass es
möglich ist, dass die Differenzdrücke vor und hinter der Probe bei den Messungen doch zu
groß waren (Debschütz, W. & Schopper, J. R., 1987) und nicht den eingestellten 100 kPa
entsprachen und die Auswertung nicht ausreichend den Bedingungen der Messung Rechnung
trug. Des Weiteren ist eine Nachtrocknung der Proben denkbar, wodurch mit der Zeit immer
mehr Poren für den Gastransport zur Verfügung stehen und sich die gemessenen
Permeabilitäten erhöhen.
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4.2. Fehlerquellen der Messapparatur
Neben gerätespezifischen Fehlern, die sehr gering ausfallen im Vergleich zu konstruktiven
Mängeln, stellte sich die Dichtigkeit der Messapparatur als Hauptfehlerquelle heraus. Mittels
Korrekturmessungen, bei denen die Permeabilität des geschlossenen Systems bestimmt
wurde(Abbildung 13), konnten kesseldruckabhängige Korrekturwerte der Masseänderung pro
Zeitänderung berechnet werden, die von den Werten der Originalmessung abgezogen wurden.
Für weitere Messungen empfiehlt es sich, auf den Einbau der Proben in Schrumpfschläuche
zu verzichten und lediglich Lockermaterial im konstruierten Probenbehälter zu messen, da
Randläufigkeiten bei dieser Anwendung der Schrumpfschlauchbehälter nur sehr begrenzt
verhindert werden können.
Abb. 13: Messungen bei geschlossenem System zur Ermittlung von Korrekturwerten.
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5 Literatur Bruck, J. von der, Häffner, F., Kornjaev, A.: Die gleichzeitige laborative Bestimmung von
Permeabilität und effektiver Porosität nach dem instationären Mehrkammerverfahren. DGMK Tagungsbericht 2000-2:135-145, Celle.
Darcy, H. (1856): Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon. – 647 S., 1 Atlas; Paris
(Dalmont).
Debschütz, W. & Schopper, J. R. (1987): Druckeinflüsse auf die Permeabilität. – KTB Report 87-2: 137-151; Melsungen.
Holleman, Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 100. Auflage, Walter de Gruyter,
Berlin, New York 1985
Jones, F. & Owens, W. (1962): A Laboratory Study of Low-Permeability Gas Sands. – J. Petr. Techn.: 1631-1640; Richardson.
Klinkenberg, L. J. (1941): The Permeability of Porous Media to Liquids and Gases. – API Drill. Prod. Prac.: 200-213.
Muck, H. (1990): A simple check for the presence of solid salt in the pore space of gas reservoirs by comparing porosity and grain density changes resulting from salt extraction. Mobil Erdgas-Erdöl GmbH, Celle, FRG
Pape, H., Riepe, L. & Schopper, J. R. (1981): A solution Attempt to the "Coastline of Britain
Problem". – Proc. 3rd Europ. Symp. Stereol. Iugosl 3, Suppl. 1: 331-336; Ljubljana.
Riekmann, M. (1971): Untersuchungen über die effektiven Permeabilitäten des Rotliegenden und des Karbons. Erdöl-Erdgas-Zeitschrift 87, 2-8.
Riepe, L. (1984): Theoretische und experimentelle Untersuchungen über den Einfluß der
spezifischen inneren Oberfläche auf petrophysikalische und bohrlochgeophysikalische Parameter von Sedimentgesteinen. Diss. TU Clausthal: 337 Bl. , graph. Darst.
Trautwein, U. (2005): Poroelastische Verformung und petrophysikalische
Eigenschaften von Rotliegend Sandsteinen – Diss. TU Berlin: 141 S.; http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2005/1151/
Tyner, J.S., Wright, W.C., Lee,J., Crenshaw, A.D. (2005): A Dynamic Air Permeameter for Coarse-Textured Soil Columns and Cores. Vadose Zone Journal 4:428-433 (2005).
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6 Anhang Verwendete Geräte/Materialien:
Kompressorbehälter (Firma Otto Klein)
Präzisionsdrosselrückschlagventil (Firma Festo)
Kunststoffdruckschlauch 8 mm Außendurchmesser (Firma Festo)
Kunststoffdruckschlauch 16 mm Außendurchmesser (Firma Festo)
Manometer 0-10 bar (Firma Festo)
Druckregelventil (Firma Festo)
Schnellkupplung (Firma Festo)
Druckmessumformer (Firma Phytec)
Druckmessumformer (Firma Wika)
Steckverschraubung (Firma Festo)
Absperrventil (Firma Festo)
Probenadapter (Eigenbau)
T-Steckverbindung (Firma Festo)
Reduzierstück von 1/2 auf 1/8 Zoll (Eigenbau)
Reduzierstück von 1/4 auf 1/8 Zoll (Eigenbau)
Probenbehälter (Auftragsarbeit Hauswerkstatt)
Prüfsieb 0,20 mm nach DIN 4187 (k.a.)
Schrumpfschlauch 51 mm (Westfalia)
Schrumpfschlauch 41 mm (Westfalia)
Silikon (Westfalia)
Datenlogger Gigalog F (Firma Hacker-Daten Technik)
Spannungskonstanter Pantam (Firma Gossen)
Teflon-Dichtband (Westfalia)
Trockenofen (Firma Memmert)
Laborwaage (Firma Kern)
Universaldrehmaschine Maximat Super 11 (Firma Emko)
