Gekoppelte fluid-dynamische und poroelastische Effekte beim Gasfluss durch nanoporöse Medien: Experimente und skalenübergreifende Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Littke, seit 7/2020
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Physik des Erdkörpers ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Strömungsmechanik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392108477

Das Projekt befasst sich mit der Untersuchung fluiddynamischer und poroelastischer Effekte bei Gastransportprozessen in mikro-/nanoporösen Medien insbesondere in niedrigdurchlässigen Sedimentgesteinen (Tonsteine, dichte Sandsteine und Karbonate). Dabei wird ein dualer Ansatz verfolgt, der sowohl Laborexperimente zum Gastransport in künstlichen und natürlichen mikro-/nanoporösen Medien (RWTH Aachen) als auch die numerische Simulation der beobachteten und erwarteten Effekte auf verschiedenen Skalenebenen (Tsinghua University) umfasst. Beide Partnergruppen verfügen über langjährige Erfahrungen auf den jeweiligen Forschungsgebieten und haben seit 2015 eine erfolgreiche Kooperation entwickelt.Hauptziel des gemeinsamen Projektes ist die Erforschung der Strömungsdynamik von Gasen im Zusammenhang mit der poroelastischen Verformung niedrigdurchlässiger Gesteine. Dabei werden Effekte wie Schlupfströmung (slip-flow), Knudsen-Diffusion, Realgaskorrekturen, Druckabhängigkeit der Viskosität, Abhängigkeit der Permeabilitätskoeffizienten von Effektivspannung durch Verformung des Transportporensystems und die Beeinflussung der Durchlässigkeit durch Sorptionsprozesse (Gase und Wasser) berücksichtigt.Die Permeabilitätskoeffizienten mikro- und nanoporöser Medien sind keine unveränderlichen Materialeigenschaften sondern hängen von den für die Messung verwendeten Fluiden ab. Insbesondere bei Messungen mit unterschiedlichen Gasen zeigen die scheinbaren Permeabilitätskoeffizienten eine starke Abhängigkeit von Änderungen in den Randbedingungen (Fluiddruck, Druckgradienten, Effektivspannung). Durch systematische Veränderungen der experimentellen Bedingungen und Verwendung unterschiedlicher Gase können Informationen über die Eigenschaften des Transportporensystems gewonnen werden.Die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Kopplung von Gastransport und Verformung enger Porensysteme sollen zu Beginn des Projektes durch Untersuchungen an künstlichen porösen Medien (Nanokapillaren, definierten Mikroschlitzen in Materialien mit unterschiedlicher Rauigkeit und Härte) verifiziert werden. Im weiteren Verlaufe des Projekts werden Messungen an ausgewählten Lithotypen durchgeführt. Eine detaillierte Beschreibung/Erfassung der Zusammenhänge zwischen porengrößenabhängigen rheologischen Effekten und der mechanischen Verformung des Porensystems sollte zu einer deutlichen Verbesserung der Vorhersage von Gasströmungsprozessen auf verschiedenen Skalen führen und eine Hochskalierung von der nm- (Labor) bis zum km-Skala (Feld) ermöglichen.Während viele Modellierungsansätze zum Fluid-Transport auf veröffentlichte Daten zur Validierung ihrer Ergebnisse angewiesen sind, wird im vorgeschlagenen Projekt das experimentelle Programm flexibel durch direkte Rückkopplung zwischen Modellierern und Experimentatoren angepasst. Somit kann die Qualität und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse jederzeit überprüft und die Konsistenz der Interpretationen und Modelle gewährleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Großgeräte: Triaxiale Druckprüfzelle
• Gerätegruppe: 2900 Statische und quasistatische Prüfmaschinen und -anlagen
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Dr. Bernhard M. Krooß
• Kooperationspartner: Professor Dr. Moran Wang
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Alexandra Amann, bis 7/2020