Modelling the influence of uncertain reservoir parameters on the occurence of natural convection in geothermal reservoirs

Niederau, Jan Frederik; Clauser, Christoph (Thesis advisor); Bruhn, David (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Mit einer weltweit vorangetriebenen, realistisch machbaren Wende von fossilen zu erneuerbaren Energiequellen, füllt Geothermie als eine grundlastfähige erneuerbare Energiequelle eine Nische, die Solar- und Windenergie ergänzt. Die Identifizierung und Quantifizierung des Ressourcenpotenzials eines Reservoirsystems zur Gewinnung von Geothermie ist wichtig. Der Wärmetransportprozess durch natürliche Konvektion (auch freie Konvektion genannt) ist äußerst wichtig in (sedimentären) geothermischen Reservoirsystemen anzusehen. In Systemen mit natürlicher Konvektion steigt weniger dichtes, warmes Wasser bis in geringere Tiefen auf. Die Lokalisierung solcher Aufstiegszonen ist daher von entscheidender Bedeutung für erfolgreiche geothermische Energiegewinnung. Freie Konvektion erhöht das Ressourcenpotenzial eines Reservoirsystems, aber auch die Unsicherheit über die vorhergesagten Temperaturen in der Tiefe. Mehrere Parameter, wie beispielsweise Permeabilität, beeinflussen die Bildung freier Konvektionszellen. Da diese Parameter jedoch im Untergrund räumlich variieren, muss ihr Einfluss und der ihrer unsicheren räumlichen Verteilung auf ein entstehendes Konvektionssystem analysiert werden, um fundierte Vorhersagen über das Konvektionssystem zu treffen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Inhalte sind das Ergebnis verschiedener Studien zusammen mit anderen Forschern, die in begutachteten wissenschaftlichen Manuskripten veröffentlicht wurden. In dieser Arbeit adressiere ich dieses Problem der örtlich unsicheren Konvektionssysteme, indem ich Methoden zur Untersuchung und Quantifizierung des Einflusses heterogener Parameterverteilungen auf natürliche Konvektionsmuster untersuche. Beispielsweise wird der Einfluss räumlich heterogener Permeabilität auf die Entstehung hydrothermaler poröser Konvektionsströmung im Yarragadee Aquifer im Perth-Becken in Australien analysiert. Dazu erstelle ich drei Simulationsszenarien mit jeweils unterschiedlichen Permeabilitätsverteilungen und modelliere den Wärmetransport. In allen Simulationsszenarien ist der Wärmetransport im südlichen Teil des Modells durch Konvektionswalzen gekennzeichnet. Der Norden des Modells hingegen wird von einem stabilen Bereich mit niedrigen Temperaturen in der Tiefe aufgrund hydraulischer Wechselwirkungen mit flacheren Grundwasserleitern dominiert. Dies deutet darauf hin, dass die Reservoirstruktur ein Hauptkontrollfaktor für die Bildung des freien (natürlichen) Konvektionssystems ist. Das konvektive System passt sich der räumlich heterogenen Permeabilitätsverteilung an und ergibt somit lokal unterschiedliche Konvektionsmuster, wohingegen die generelle Struktur jedoch von der Reservoirgeometrie vorgegeben ist. Neben dem Einfluss der räumlich unsicheren Permeabilität auf ein konvektives System, untersuche ich auch den Einfluss ihrer räumlichen Kontinuität. Dazu werden mehrere Monte-Carlo-Ensembles aus einem 2D-Modell des zentralen Perth-Beckens erstellt. Ich untersuche den Effekt unterschiedlicher räumlicher Kontinuität von Porosität und Permeabilität, indem ich die Entropieproduktion des Gesamtsystems bewerte. Diese Zahl basiert auf dem Konzept des lateralen Wärmeflusses, der durch Konvektion in das System eingebracht wird, und der daraus resultierenden Zunahme der Entropie. Eine anfängliche Abnahme der durchschnittlichen Entropieproduktionszahl zeigt, dass weniger Ensemblemitglieder Konvektion aufweisen, wenn die Korrelationslänge (also Kontinuität) der Permeabilität zunimmt. Wenn die Ensemblemitglieder, die keine Konvektion zeigen, vernachlässigt werden, ergibt sich keine signifikante Änderung im Konvektionssystem für laterale Korrelationslängen über 2000 m. Oftmals erreichen Simulationen eines Konvektionssystems keinen echten stationären Zustand. Ob es keinen stationären Zustand gibt oder das System oszilliert, kann durch das Konzept der Attraktoren festgestellt werden. Mit diesem Ansatz werden die Modelle des Perth Beckens hinsichtlich ihres transienten Verhaltens in einem Phasenraum analysiert. Dieser Phasenraum wird durch die Enthalpie des Systems und ihre zeitliche Änderung gebildet. Die resultierenden Attraktoren zeigen, dass die Simulationen des Perth Beckens einen dynamischen stationären Zustand erreichen, wenn ihre Ergebnisse einen Punkt in ihrem Phasenraum umkreisen. Damit können sie als ein Konvergenzkriterium für oszillierende Simulationen verwendet werden. Sobald der natürliche Zustand eines Reservoirsystems in Form eines gut kalibrierten Modells mit den beschriebenen Methoden analysiert und bewertet wurde, ist ein weiterer Schritt in einer Reservoirstudie die Simulation potenzieller Produktionsbohrungen. Bei existenter Konvektion sollten bei der Platzierung von geothermischen Bohrungen die lateralen Temperaturunterschiede, die durch Konvektion entstehen, berücksichtigt werden. Für diese Fragestellung wurde ein Algorithmus entwickelt, um geeignete Standorte und die optimierte Auslegung für geothermische Dublettensysteme vorgegebener Spezifikationen zu ermitteln. Basierend auf Ergebnissen numerischer Simulation des hydrothermalen Strömungssystems berücksichtigt der Algorithmus auch Einschränkungen bei der Standortwahl eines Dublettensystems, wie die Lage von Siedlungs- oder Naturschutzgebieten. Die Methode wird an einem Karbonatreservoir bei Guardia Lombardi in Kampanien, Italien, demonstriert und bewertet. Die antiklinale Struktur des Reservoirkörpers ermöglicht einen effektiven Wärmetransport durch Konvektion mit Aufwärtsströmung, die sich entlang der Faltenschenkel der Antiklinale konzentriert. Die Temperaturen am oberen Ende des gefalteten Speichers reichen von 85 °C bis 265 °C. Die kalibrierten Simulationsergebnisse des regionalen Speichermodells zusammen mit den oben genannten Randbedingungen an der Oberfläche, ergeben Regionen, in denen das Abteufen von Bohrlöchern ausgeschlossen wird. Der entwickelte Algorithmus schlägt mehrere mögliche Positionen für Dubletteninstallationen vor. Als Beispiel simuliere ich den kontinuierlichen Betrieb einer dieser vorgeschlagenen Anlagen für eine Betriebszeit von 35 Jahren mit unterschiedlichen Abständen zwischen Injektions- und Produktionsbohrung. Bei einem Mindestabstand von etwa 700 m ergibt sich in diesem Zeitraum keine signifikante Abnahme der Produktionstemperaturen. Die vorgestellten Methoden und ihre Anwendung auf reale Reservoire können helfen Konvektionsmuster in geothermischen Reservoirsystemen zu charakterisieren. Diese Charakterisierung kann für Entscheidungsträger nützlich sein, um Risiken für geothermische Energiegewinnung bei vorhandener natürlicher Konvektion im Untergrund zu bewerten.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Numerische Geowissenschaften, Geothermie und Reservoirgeophysik [532610]