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unilogo Universität Stuttgart
Institute of Hydraulic Engineering

Research:

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3D Modellierung von Methanmigrationsprozessen im Untergrund
Project manager:Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig
Deputy:Dr.-Ing. Holger Class
Research assistants:Dr.-Ing. Hussam Sheta
Duration:1.1.2002 - 31.12.2006
Funding:externer Link Deutsche Montan Technologie GmbH (DMT)
Poster:Poster (PDF)
Publications: Link

Abstract:

Im Rahmen der Arbeiten sollen zwei- und dreidimensionale Mehrphasen und Mehrphasen-Mehrkomponenten Strömungs- und Transportprozesse zur Simulation der Methanmigration durch den Untergrund mit dem Programmsystem MUFTE-UG von LH2 modelliert und analysiert werden.

Die Methanmigrationprozesse durch den Untergrund werden durch Ausgasung von Methan aus der Kohle getrieben, was im folgenden als Methanquellterm bezeichnet wird. DMT hat die Größe des Quellterms und seine volumenmäßige Verteilung im Untergrund zu liefern.

Für den Modellaufbau von Anwendungsfällen, wie z.B. das Bergwerk Westfalen, sind von der DMT verschiedene Daten bereit zu stellen. Die Geometrie der unterschiedlichen geologischen Schichten ist in mehreren orthogonalen Schnitten, nach Möglichkeit in einem CAD-Format, aufzubereiten. Des Weiteren muss die räumliche Lage von Störungszonen, Schächten und Strecken angegeben werden. Die räumlichen Verteilungen der bodenphysikalischen Parameter Permeabilität und Porosität sind soweit verfügbar aus Messungen oder Literaturwerten zu beziffern, sowohl in den geologischen Schichten und Störungszonen wie auch in den Abbaubereichen. Die Bestimmung der konstitutiven Beziehungen, Kapillardruck-Sättigungsbeziehung und relative-Permeabilität-Sättigungsbeziehung, ist in Kooperation mit LH2 abzuschätzen (z.B. aus Kornsummenkurven), ggf. müssen sie auch experimentell ermittelt werden.

Für die numerische Modellierung müssen Anfangs- und Randbedingungen vorgegeben bzw. zwischen den Partnern abgestimmt werden. Es müssen Angaben zu Druck- und Sättigungsverhältnissen im System als Anfangsbedingungen sowie Angaben zu Druck-, Sättigungs- und/oder Flussverhältnissen an den Modellrändern als Randbedingungen vorgegeben werden. Dies beinhaltet z.B. Luftdruckschwankungen am oberen Modellrand sowie sich ändernde Wasserspiegellagen aufgrund der Einstellung der Wasserhaltung. Im Zuge der in Aussicht gestellten Modellkalibrierung müssen von der DMT Messdaten zu Methankonzentrationen an der Erdoberfläche oder in oberflächennahen Bodenzonen sowie Gasvolumenströme und Methankonzentrationen aus stillgelegten Schächten bereit gestellt werden.

Für die numerischen Modellierungen können drei unterschiedliche Modellkonzepte zu Grunde gelegt werden: 2D- und 3D-Zweiphasen-Modellkonzept bestehend aus den Phasen Wasser und Gas, welches ein definiertes Verhältnis von Methan und Luft enthält; 2D- und 3D-Zweiphasen/Dreikomponenten- Modellkonzept bestehend aus den Phasen Wasser - mit den Komponenten Wasser, gelöstes Methan und gelöste Luft - und Gas - mit den Komponenten Methan, Luft und Wasserdampf; 1D-Röhrenmodell für Gasströmungen.

Mit dem Zweiphasen-Modellkonzept sollen die großräumigen Methanmigrationsvorgänge simuliert werden. Dies erfolgt zunächst in Vorstudien an auszuwählenden 2D-Schnitten und 3D-Teilgebieten und wird anschließend für ein gesamtes 3D stillgelegtes Bergwerk, z.B. das Bergwerk Westfalen, durchgeführt. Aufgrund der immensen Anforderungen an Rechenzeit- und Speicherplatz müssen diese Simulationen auf parallelen Hochleistungsrechnern durchgeführt werden. Der Einfluss von Unsicherheiten in der räumlichen Verteilung von physikalischen Parametern wird mit Hilfe geostatistischer Verfahren in Kooperation von LH2 und DMT abgeschätzt. Dies geschieht zum einen über geostatistische Variationen von Permeabilitäten und ggf. auch von Porositäten. Zum anderen erfolgt dies durch die Generierung synthetischer Kluftnetzwerke für geklüftete Strukturen im Untergrund, die unterhalb der Auflösung des verfügbaren Kartenmaterials liegen. Für die synthetischen Kluftnetzwerke müssen von der DMT Daten wie Kluftdichten, -abmessungen, -orten und -orientierungen ermittelt werden oder entsprechende Annahmen zwischen den Partnern abgestimmt werden. Es werden 3 unterschiedliche Szenarien untersucht, als erstes das Szenario Bergwerk zu Beginn der Schließung mit Randbedingungen aus dem Jahr 2000; als nächstes das Szenario Bergwerk während Flutung und als letztes das Szenario Bergwerk nach Flutung, wobei die jeweiligen Randbedingungen abgestimmt werden müssen. Alles in allem sollen die Gas-Wasser-Strömungsprozesse im Untergrund sowie Austrittsstellen und Austrittsmengen an der Erdoberfläche und an den Schächten modelliert werden. Es wird ein qualitativer Vergleich der berechneten Gassättigungen mit gemessenen Methankonzentrationen durchgeführt. Weitere prognostische Fälle, die z.B. die Anordnung von Bohrungen zum kontrollierten Abführen des Methans beinhalten können, müssen mit der DMT abgestimmt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass mit dem Zweiphasenmodellkonzept nicht der Methananteil in der Gasphase erfasst werden kann, sondern nur das Gasgemisch als solches als Sättigungsverteilung im Gas-Wasser-System.

Mit dem Zweiphasen-Dreikomponenten-Modellkonzept können Simulationen nur in Teilbereichen des gesamten 3D-Simulationsgebietes durchgeführt werden, da dies aller Voraussicht nach im Gesamtgebiet aus rechenzeit- und speichertechnischen Gründen selbst auf parallelen Hochleistungsrechnern nicht durchführbar sein wird. Mit diesem Modellkonzept werden u.a. Lösungsprozesse von Methan in Wasser erfasst sowie das Verhalten der Gaskomponenten (Methan, Luft) in der Gasphase bzw. im Gasgemisch beschrieben. Die vorherigen Ergebnisse und Sensitivitätsstudien werden zeigen, ob die Anwendung dieses Modellkonzeptes erforderlich sein wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Methananteil in der Gasphase mit diesem Modellkonzept gezielt erfasst wird. Weiter sei erwähnt, dass bei solchen Simulationen auch Bauwerke bzw. Gebäude integriert und die dort auftretenden Problemstellungen behandelt werden können.

Für beide beschriebenen Modellkonzepte wird die Entwicklung eines Optimierungsmoduls in Aussicht gestellt, dass z.B. die Anzahl und Anordnung von Pumpen sowie Pumpraten optimiert.

Schließlich können mit dem 1D-Röhrenmodell für Gasströmungen Quantifizierungen von Methanvolumenströmungen durch die Strecken- und Schachtsysteme erfolgen. Dazu kann der Einfluss von Luftdruckschwankungen und Verschlussbauwerken untersucht werden. Die Methanvolumenströme aus den Schächten können mit den Methanaustrittsmengen an der Erdoberfläche verglichen werden, und es kann die gegenseitige Interaktion der Strömungsprozesse in Röhre und porösem Medium abgeschätzt werden. Wiederum werden die vorherigen Ergebnisse und Sensitivitätsanalysen zeigen, ob diese Modellierungen erforderlich sein werden. Sollte dies der Fall sein, wird DMT ein Simulationsprogramm für diese Arbeiten zur Verfügung stellen oder LH2 ein solches Tool neu entwickeln.