Ein optimierter semi-analytischer hydromechanischer Kopplungsansatz für die geologische CO2-Speicherung

Um der weltweiten Erderwärmung und dem dadurch verursachten Klimawandel zu begegnen, stellt Carbon Capture and Storage (CCS) eine vielversprechende Technologie dar, um den Zeitraum bis die weltweite Energiewirtschaft auf eine CO2-neutrale Energieerzeugung umgestellt ist, zu überbrücken. Hierbei wird CO2 aus den Rauchgasen von Kraftwerken abgeschieden, um anschließend langfristig in tiefliegenden geeigneten Formationen gespeichert zu werden. Damit CO2-Speicherstandorte sicher betrieben werden können, sind unerwünschte Prozesse wie beispielsweise die Freisetzung von gespeichertem CO2 in die Atmosphäre, die Migration von CO2 oder Formationsfluid aus tieferen Grundwasserleitern in oberflächennahe Süßwasserhorizonte sowie die Reaktivierung von Störungen, zu vermeiden. Hierfür sind sowohl deterministische und probabilistische Risikoanalysen notwendig.
Da die Untersuchung des Prozesses einer hydraulischen Reaktivierung von geologischen Störungen rechenzeitintensive hydromechanisch gekoppelte numerische Simulationen erfordert, sind probabilistische Risikobetrachtungen, die eine Vielzahl von Realisierungen bedingen, nicht uneingeschränkt möglich. Für die Realisierung der Simulationen werden in der Regel sequenzielle Kopplungsmethoden verwendet. Hierbei wird der Mehrphasenfluidfluss-Prozess durch ein hydraulisches Programmsystem simuliert. Die hiermit ermittelte Porendruckverteilung wird anschließend nach jedem Simulationsschritt an ein geomechanisches Programmsystem übertragen, um einen hieraus resultierenden neuen Spannungs-Dehnungszustand zu ermitteln. Dieser wird in Form von aktualisierten Porositäten und Permeabilitäten an das hydraulische Programmsystem zurückgegeben, wobei der Datentransfer sowohl sequenziell iterativ oder nicht iterativ erfolgen kann.
Um eine signifikante Rechenzeitersparnis zu erzielen, wird im Rahmen dieser Arbeit eine Kopplungsmethode entwickelt, in der aus dem Mehrphasenfluidfluss-Prozess resultierende Porendruckverteilungen weiterhin von einem hydraulischen Programmsystem ermittelt werden. Die aus einer Störungsreaktivierung resultierende geomechanische Antwort wird hierbei jedoch für unterschiedliche Bezugselemente innerhalb der Störung durch semi-analytische Funktionen in Abhängigkeit eines im Schnittpunkt zwischen Speicherformation und Störung definierten Referenzporendrucks berechnet.