Thermal Properties of Gas-Hydrate-Bearing Sediments and Effects of Phase Transitions on the Transport of Heat Deduced from Temperature Logging at Mallik, NWT, Canada

Um Prozesse im Zusammenhang mit der Bildung und der Zersetzung von Gashydraten in der Natur quantifizieren zu können, ist eine detaillierte Kenntnis der thermischen Eigenschaften von gashydratführenden Gesteinen notwendig. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Methanhydrat auf den Wärmetransport in porösen Gesteinen. Sowohl die Wärmeleitfähigkeit gashydratführender Sedimente als auch der Einfluss von Phasenübergängen wird untersucht. Im Rahmen des Mallik 2002 Forschungsbohrprogramms wurden drei Bohrungen, die ein kontinentales Gashydratvorkommen unter Permafrost durchteufen, erfolgreich mit faseroptischen Messkabeln zur ortsverteilten Temperaturmessung ausgestattet. Über einen Zeitraum von 21 Monaten nach der Fertigstellung der Bohrungen wurden Temperaturmessungen durchgeführt. Die Auswertung der durch den Bohrprozess verursachten Temperaturstörungen zeigt einen starken Einfluss von Phasenübergängen auf Temperaturänderungen. Erstmals wurden die Auswirkungen einer künstlich induzierten Temperaturänderung innerhalb eines natürlichen Gashydratvorkommens in situ beobachtet. Die hierdurch verursachten Anomalien des Temperaturgradienten wurden erfolgreich zur Bestimmung der Basis der Gashydratvor-kommen und des Permafrosts herangezogen, die jeweils bei rund 1103-1104±3.5 m, bzw. 599-604±3.5 m unterhalb der Geländeoberkante liegen. Am Ende des 21-monatigen Beobachtungszeitraumes hat sich die Bohrlochtemperatur weitgehend der Formationstemperatur angeglichen. An der Basis der Gashydratvorkommen wurde eine Temperatur von 12.3 °C bestimmt. Dieser Wert liegt rund 0.7 °C unter der von thermodynamischen Berechnungen vorhergesagten Stabilitätstemperatur, wenn man von ei-nem Druckgradienten von 10.12 kPa/m und einer Salinität des Porenwassers von 35 ppt ausgeht. Unter den angegebenen Bedingungen liegt die Grenze des Stabilitätsbereichs von Methanhydrat bei ungefähr 1140 m unter Gelände. Profile der Wärmeleitfähigkeit wurden sowohl aus geothermischen Daten als auch aus einem petrophysikalischen Modell, welches aus den vorliegenden Bohrlochmessdaten abgeleitet wurde, und der Anwendung von Mischungsgesetzmodellen berechnet. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit im Wesentlichen durch litho-logische Wechsel verursacht werden. Der Einfluss der Hydratsättigung ist nur von untergeordneter Bedeutung für die effektive Wärmeleitfähigkeit des Gesteins. Die Ergebnisse des geometrischen Mittel Modells stimmen am besten mit den Wärmeleitfähigkeitsprofilen, die aus geothermischen Daten abgeleitet wurden, überein. Mittlere Werte der Wärmeleitfähigkeit der hydratführenden Intervalle liegen zwischen 2.35 W/m*K und 2.77 W/m*K. Ein vereinfachtes numerisches Modell für konduktiven Wärmetransport wurde eingesetzt, um den Temperatureffekt von Phasenübergängen in den gashydrathaltigen Schichten zu berechnen. Das Modell beinhaltet die Umsetzung latenter Wärme während des Phasenübergangs (Enthalpie-Methode); Weiterhin wurden die Stabilitätsbedingungen für Methanhydrat in Mallik (Druck, Temperatur, Zusammensetzung des Porenwassers und der Gasphase) und der Ein-fluss der Zersetzung von Hydrat auf die thermischen Gesteinseigenschaften berücksichtigt. Die Modellergebnisse deuten darauf hin, dass die Neubildung von Hydrat nach Wiedererlan-gen der Stabilitätsbedingungen gehemmt ist.

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