AGW - Strukturgeologie

Forschung

Umwelt nachhaltig nutzen, auf und unter der Erde.
0Christoph Hilgers

In der Geologie am KIT External Link forschen wir zu Deformation, Diagenese und Gesteinsmagnetik. Wir entwickeln Modelle der mechanischen und chemischen Gesteinseigenschaften, um die Heterogenitäten des genutzten Untergrunds für Reservoire und Speicher besser zu quantifizieren. Unsere Forschung liefert die Grundlagen für Innovationen, deren Technologietransfer in die Industrie durch die TTE Reservoir-Geologie der KIT Campus Transfer GmbH External Link  sichergestellt wird.

Beim Management liegen unsere Interessen bei Prozessen, Qualität und Risiken in der Lieferkette. Wir analysieren Prozesse und technisch-ökonomische Nutzungskonzepte im Bereich Energie und mineralische Rohstoffe, um strategische Optionen aufzuzeigen. Dazu gehören technische und ökonomische Themen zu Wasserstoff, (grünes) Gas, CO2, Pumpspeicher und Untertageabbau, sowie Methoden zur Umsetzung transnationaler Hochschulbildung und Implementierung entsprechender Einrichtungen.

Outreach beinhaltet ganzheitliche Erdsystem-Prozesse ebenso wie Themen zu Energie, Rohstoffen und Speichern unter Berücksichtigung von STEEPLE Umfeldanalysen. Mit unseren Innovationen tragen wir zu einer effizienteren Nutzung des Untergrunds für erneuerbare Energien, Kohlenwasserstoffe, Rohstoffe und Untertagespeichern bei.

Abb. 1. Überischt unserer Aktivitäten Lehre, Forschung und Innovation. Unsere geologische Forschung konzentriert ich auf die Deformation, Diagenese und Gesteinsmagnetik. Mit dem Querschnittsthema Management untersuchen wir die techno-ökonomischen Faktoren. Mit unseren Innovationen arbeiten mit engem Anwendungsbezug.

Unsere anwendungs- und grundlagenbezogene Forschung verknüpft verschiedene Maßstäbe im breiten Feld der Reservoir-Geologie. Reservoire sind temporäre oder dauerhafte, natürliche oder durch den Menschen geschaffene Speicherräume im Untergrund, aus denen Erdwärme/Geothermie, fossile Energieträger wie Erdgas oder Erdöl, und Wasser gefördert oder Energie und Reststoffe zwischen- oder endgelagert werden.

Deformation

Wir untersuchen Brüche und Bruchverteilungen in Reservoiren und entwickeln kontaktfreie Methoden zur Digitalisierung von Felswänden und Steinbrüchen mit unseren Drohen und terrestrischen Laserscannern, um die Anisotropie und Heterogenitäten der 3D Gesteinskörper zu erfassen (Abb. 2). Wir bringen digitale Büche in horizontalen Bohrungen unter in-situ Spannungen und berechnen in Szenarien Anzahl und Raumlage der konduktiven, fluid-leitenden Klüfte (Abb. 3).

Abb. 2. 3D Laserscan (grau) des großen Steinbruchs Piesberg bei Osnabrück, von den Dimension entsprechend einem tight gas Feld im Untergrund. Die leicht gefalteten Schichtflächen (grün), die tektonische Störung (blau) bilden die Struktur des Reservoir-Analogs. Der Laserscan des Steinbruchs (grau) mit den Bäumen auf der obersten Berme (weißer Pfeil). Das Bruchmuster von tektonischen Brüchen (Klüften) wurde entsprechend der Raumlage (gelb, blau, rot) eingefärbt und in das geologische Model populiert, um Fließwege im Reservoir berechnen zu können (Wüstefeld et al. 2018).

Becker et al 2019 Stressed facture horizontal well

Abb. 3. Bruchverteilung und -Lage entlang einer Horizontalbohrung in Subsalz-gebrochenen Karboanten. Farbkodierte Brüche zeigen deren Öffnung (obere Reihe) und Bewegung (untere Reihe) (von Becker et al. 2019).

Diagenese - Gesteinscharakterisierung

Wir erfassen die geologische Anisotropie der geologischen Körper von der Mikro- bis zur Reservoir-Skala und beschreiben die Veränderungen von Gesteinseigenschaften durch strukturelle, sedimentäre, geomagnetische und andere geologische Prozesse. Dazu nutzen wir weltweit Aufschlüsse, Bohrkerne sowie Steinbrüche der Steine & Erden Industrie. Die Charakterisierung beinhaltet die Deformation, Diagenese ("struktruelle Diagenese") (Abb. 4) und petrophysikalische Analysen wie die Gesteinsmagnetik, sGR sowie Porositäts- und Permeabilitätsanalysen.


Abb. 4. Transparenter Dünnschliff mit blau gefärbtem Porenraum unter dem optischen Lichtmikroskop bei planar- (links) und gekreuzten (rechts) Polarisatoren zeigt einen sekundären Porenraum durch ein gelöstes Feldspatmineral. Die bei der Lösung und Quarzabwanderung gebidelten Kaolinit-Tonminerale werden durch Illit-Tonminerale ersetzt (Busch et al. 2017).

Diagenese - Reservoir-Quality Prediction

Wir sagen die Zementation von Poren- und Bruchzementation und zugehörige physiko-chemische Alterationen mit numerischen und experimentellen Ansätzen voraus und prognostizieren Qualitäten von porösen und gebrochenen Gesteinen. Unsere Prototypen von Durchlicht- und geschlossenen Mikroreaktoren spiegeln den reaktiven Stofftransport von Geofluiden in Gesteinen wider und verbessern die Vorhersage mikrostruktureller Alterationen. Deformationsprozesse in Deckschichten wie Salzgesteinen können genutzt werden, um Kriechraten für den Untergrund- und Bohrungstabilität anhand von Mikrostrukturen zu ermitteln.

Abb. 5. Modellierte Versenkungskurve von abgelagerten Gesteinen über ca. 250 Mio Jahre für 5 unterschiedliche Bohrungen stimmen mit modellierten Illitzementen und experimentell gemessenen K-Ar Altern authigener Illite überein. Damit kann die Menge an Quarz- und Illit-Zement für unterschiedliche Temperaturmodelle berechnet, und die berechneten Porenvolumina und Permeabilität des Reservoirs in der Tiefe besser eingeengt werden (Busch et al. 2018).

Digital Rocks & Digital Fractures

Wir entwicklen mit unseren Kollegen am KIT und anderen Standorten neue digitale Werkzeuge. Wir erforschen zugrundeliegende Prozesse zur besseren Vorhersage von Gesteinseigenschaften. Die Gesteine werden digitalisiert und für numerische Simulationen von Mehrphasenfluß und Zementwachstum kalibriert. Die Modellierung der digitalen Gesteine treiben wir mit KIT-CMS Prof. Nestler weiter voran.

Abb. 6. Digitale Gesteine im Mehrphasenfluß Gas-Formationswasser (Prajapati et al. 2020).

Gesteinsmagnetik

Das Gefüge der Gesteinsmagneitk sowie dessen Anisotropie wird an sedimentären und kristallinen Gesteinen ermittelt und auf ein breites Spektrum geologischer Prozesse angewandt. Dies reicht von mikrostrukturellen Analysen bis zu stratigraphischen Korrelationen. Unsere umfassende Erfahrung im Bereich der Magnetik dient der Erforschung fundamentaler geologischer Ereignisse und bohrlochgeophysikalischer Analysen und -Korrelationen.

Kontny et al 2018 HiRes-SEM shocked magnetite

Abb. 7. Hochauflösende Rasterelktronenmikroskop geschockter Magnetite. Links: Lösung/Entgasung von Fe-Mg-Al Silikat. Mitte: Getrichelte Linie zeigt Scherbänder in 5GPa geschockten Magnetiten. Rechts: 120° Korngrenzen im 20 GPa geschockten Magnetiten (Kontny et al. 2018).

Management

Wir betrachten die gesamte Wertschöpfungskette von Energie- und Rohstofflagerstätten von der Exploration bis zur Speicherung mit der STEEPLE Umfeldanalyse. STEEPLE steht für die Faktoren Soziales, Technologie, Ökonomie, Umwelt, Politik, Recht und Ethik. Unsere Betrachtungen beinhalten die resiliente Versorgung mit Bau- und Metallrohstoffen und die dazu notwendigen Industrieprozesse.

GDP population and metal growth

Abb. 8. a) Die Weltbevölkerung steigt um weitere ca. 3 Mrd. Menschen bis 2060, der Wohlstand steigt schneller. b) Der Verbrauch an Metallen wie Kupfer und Europium steigt pro Kopf und absolut (Hilgers et al. in press).

Interdisziplinäre Studien beinhalteten das Risikomanagement des Strebbaus, technische Aspekte einer CO2 Pipeline-Infrastruktur, Pumpseicherkraftwerke in Tagebauen, Einfluss von US Shale Gas auf die Erdgasversorgung Osteuropas, Realoptionsanalysen von Druckluftspeichern oder die ökonomische Machbarkeit von Power-to-Gas (Wasserstoff & grünes Methan) Lastausgleichs-Speichern.

Power to gas load balancing hydrogen green methane

Abb. 9. Grundlage der Berechnung von Speichern für P2X Gase Wasserstoff und grünes Methan (Budny et al. 2015).

Unsere Erfahrungen beinhaltet die Planung und den Betriebsaufbau privater, ausländischer Hochschulinstitutionen, sowie die Entwicklung und das Management interdisziplinären Trainingskurse in enger Zusammenarbeit mit der Industrie. Projekte beinhalteten die Planung und Aufbau der Deutschen Universität für Technologie GUtech LLC (Abb., info) im wunderbaren Muskat, Oman, und Aufbau von Trainingskursen zu geothermischer und fossiler Energie, Medizin und Bergbau in Tunesien und Marokko und Zusammenarbeit mit Ägypten.

GUtech University Oman

Abb. 10. Die German University of Technology im Oman.

Werkzeuge: CrystalBall, MiniTab, MS Project & Visio and special tools.

Outreach

Wir wollen einen Beitrag leisten, die unklare Welt von Fakten und Fiktionen, Notwendigkeit und Wunschdenken im Rahmen unserer Kompetenzen zu entwirren. Geowissenschaften sind nicht nur die Naturwissenschaft einer sich kontinuierlich ändernden Erde, sondern die Wissenschaft, die eine nachhaltige Versorgung mit Georessourcen für Mensch, Gesellschaft und Industrie sicherstellt.

Wir verbreiten Erkenntnisse zu Forschungen des Systems Erde in Medien und Nachrichten, und teilen Wissen mit den entsprechenden Wirtschaftszweigen und Behörden. Wir arbeiten gerne mit unseren Partnern in Arabien, Aserbaidschan, Ägypten, Indien, Japan, Marokko, Russland, USA und Tunesien zusammen und dehnen unser Spektrum gerne aus.

Fig. 11. Überblick unserer geologischen Forschungsaktivitäten.

 

Unsere Werkzeuge

Reservoircharakterisierung von Gesteinen. Werkzeuge: spektrale Gammastrahlen, Petrographie, Durchlichtmikroskopie, Kathodolumineszenzmikroskopie, automatische point counter, He Pyknometrie für Porosität, Permeabilität bis 50MPa und 150°C.

Wir nutzen Methoden der Gesteinsmagnetik. Gesteinsmagnetische Methoden werden für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen angewandt wie die (i) Korrelation von Lithologie und magnetischer Suszeptibilität, (ii) Bestimmung der Träger der magnetischen Eigenschaften, oder die (iii) Korrelation mit geologischen Vorgängen (Magmatismus, Metamorphose, Sedimentation) und Verständnis von geologischen Prozessen (Platznahmemechanismen, Fluid-Gesteins-Wechselwirkung, etc.). Beispiele für laufende Projekte.

Digitale Untergrunddaten und Geländeanaloge. Werkzeuge: AgiSoft, ArcGIS, Becip FranLab (FracaFlow), CloudCompare, EasyCore (for teaching), Eclipse, FaroScene, FracPaQ, MatLab, Petrel (incl. Eclipse), PetroMod, TouchStone, WellCad.

Verbesserung kontaktfreier Analysen für Bruchoberflächen und mineralogischer Heterogenitäten an Wänden in Steinbrüchen, Kernen, Tunneln und Höhlen, um Gesteinsqualitäten und Wandstabilitäten für einen optimalen Abbau, Stabilität, und ein verbessertes Verständnis von 3D Heterogenitäten. Werkzeuge: terrestrisches Laserscanning, hyperspektral, Drohnen

Physiko-chemische Experimente: selbstgebaute transparente Durchlicht- und geschlossene Mikroreaktoren

Digitale Modelle von 3D sedimentären Körpern im Aufschlußmaßstab, Bruchnetzwerke und Porositäts-Permeabilitäts-Variationen im Gelände als Basis für Fluss-Simulationen. Werkzeuge: Laserscanning, Bildanalyse

Analysen und Quantifizierung von Nukleationsprozessen, Zementationsraten und verschiedene Kristallmorphologien im Kern- & Porenmaßstab, hochauflösende Bildtechniken und Experimente nutzend. Werkzeuge: Petrographie, Kathodolumineszenz, Floureszenz, Experimente, Isotope, poro-perm, WellCad.