Relevant properties and governing mechanisms for oil recovery and geological carbon dioxide storage applied to jordanian shale

Mit Blick auf den stetig wachsenden Energiebedarf und der damit im Zusammenhang stehenden dramatischen Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre steht die Menschheit vor der Aufgabe, Antworten auf bislang beispiellose Herausforderungen zu finden. Trotz verstärkter Bemühungen, die sogenannte Energiewende voranzutreiben, geht der Großteil der Vorhersagen davon aus, dass die Grundlage zur Deckung des globalen Energiebedarfes weiterhin durch fossile Brennstoffe gesichert wird. Gleichzeitig ist eine deutliche Abnahme der Produktion aus konventionellen Ölreserven zu verzeichnen, sodass nicht-konventionelle Ressourcen in Zukunft eine größere Rolle übernehmen werden. Auf der anderen Seite werden die Bemühungen zur Abtrennung und Untertagespeicherung von CO2 als ein Bestandteil der Dekarbonisierung vorangetrieben. Erfahrungen mit der Injektion von CO2 existieren bereits seit den 1970er Jahren im Rahmen der sogenannten “CO2-enhanced oil recovery” (CO2-EOR) mit gutem Erfolg zur Steigerung der Förderraten aus konventionellen Lagerstätten. Daher erscheint es naheliegend, die beiden Prozesse im Sinne einer zügigen Umsetzung der Energiewende zu kombinieren und in der Folge auch für nicht-konventionelle Lagerstätten in Betracht zu ziehen. Über die mögliche Anwendung innovativer Methoden in diesen oft sehr komplexen Gesteinsformationen ist bislang wenig bekannt geworden. Daher befasst sich die aktuelle Dissertation mit einer Reihe an Phänomenen, die im Zusammenhang mit der Applikation von komprimiertem CO2 auf Schieferformationen relevant sind. Entscheidende Systemeigenschaften wurden in dieser Arbeit untersucht mit dem Ziel, Möglichkeiten zur Kombination einer CO2-gestützten Förderung von Kohlenwasserstoffen mit der Einspeicherung von CO2 in nicht-konventionellen Lagerstätten zu evaluieren. Jordanischer Ölschiefer (Sultani) dient hier als Beispiel mit einem erheblichen Potenzial aus wirtschaftlicher und umwelttechnischer Sicht. Es werden umfangreiche und systematische experimentelle Untersuchungen zum grundlegenden Phasen-, Grenzphasen- und Stofftransportverhalten in komplexen dichten Wasser- und Kohlenwasserstoffhaltigen Gesteinsformationen in Kontakt mit komprimiertem CO2 vorgestellt. In einem ersten Schritt wurde Sultani-Schiefer einer Extraktion mit überkritischem CO2 unterzogen. Dabei wurde der Einfluss unterschiedlicher Betriebsparameter auf die Ausbeute untersucht, die wiederum in direktem Zusammenhang mit der Löslichkeit unterschiedlicher im Ölschiefer enthaltener Komponenten in der CO2-Phase steht. Neben der Analyse des Mehrphasenverhaltens, zu dem die Bestimmung von Gemischdichten, die Löslichkeit von CO2 in Kohlenwasserstoffmischungen und die daraus folgende volumetrische Ausdehnung der Kohlenwasserstoffphase gehört, bestand ein Schwerpunkt der Arbeit in der experimentellen Betrachtung von Grenzphaseneigenschaften unter Lagerstättenbedingungen. Als eine maßgebliche Größe wurde die Grenzflächenspannung in mehrphasigen Multikomponentensystemen mittels der Methode des hängenden, stehenden bzw. liegenden Tropfens bestimmt. Die Benetzung an den inneren Porenwänden wird durch den Dreiphasen-Kontaktwinkel beschrieben, der sowohl im System CO2- Formationswasser-Schiefer als auch in dem System CO2-Kohlenwasserstoff-Formationswasser-Schiefer an liegenden Tropfen bestimmt wurde. Zur Erklärung der Abhängigkeit der Benetzung von der Zusammensetzung der wässerigen Phase wurden Messungen des Zeta – Potentials an in wässerigen Salzlösungen suspendierten Schieferpartikeln unternommen. Die Grenzfläche Feststoff-CO2 war hingegen Gegenstand von Messungen mittels einer gravimetrischen Methode, mittels derer die Adsorptionskapazität des Schiefers bestimmt wurde, die einerseits als eine der möglichen Speichermechanismen für CO2 gilt und andererseits in direkter Beziehung zum Benetzungsverhalten in Anwesenheit von wässerigen Salzlösungen steht. In Ergänzung zu dem Mehr- und Grenzphasenverhalten wurden Diffusionskoeffizienten von komprimiertem CO2 im Gestein bestimmt, die letzten Endes über die Zeitskala der im Fokus stehenden ablaufenden Prozesse entscheidet. Im Ergebnis führen die hohen Wechselwirkungen aller beteiligten Phasen mit überkritischem CO2 zu bedeutenden Änderungen in den Systemeigenschaften, die die Mobilisierung der Kohlenwasserstoffe generell fördern, während sich diese auch negativ auf eine GeoSpeicherung von CO2 etwa über die Herabsetzung des kapillaren Eindringdruckes auswirken können. Die Arbeit liefert einen wertvollen Einblick in Mechanismen, Systemeigenschaften sowie kritische Faktoren, die für eine erfolgreiche Umsetzung einer CO2-gestützten Ölförderung und der CO2-Speicherung bzw. einer Kombination beider Prozesse in nicht-konventionellen Gesteinsformationen relevant sind