Open Access

Markus Peltz

• The deep geological underground represents an important georesource for the short- term storage of renewable energy and the long-term reduction of greenhouse gas emissions. To ensure the economic viability and safety of any subsurface storage project, detailed characterisation of the quality and integrity of the reservoir and its cap rock is required. This characterisation includes the accurate determination of the petrophysical properties, such as porosity and permeability, as well as the potential mineral reactions, such as the dissolution of reactive phases, which may occur during the lifespan of such a project. Clay minerals are common components of many reservoir systems and, depending on their type and structure, can have a significant impact on storage and transport properties. These processes are, however, currently not well understood. In order to address these issues, the main focus of this thesis is on mineralogical analyses using X-ray diffraction (XRD) and microstructural studies using focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) together with micro X-ray computed tomography (µXCT) to gain a better understanding of the influence of clay minerals on reservoir and cap rock properties. A central part of this thesis focuses on the analysis of clay minerals and pore structures of the Bebertal Sandstone of the Parchim Formation (Early Permian, Upper Rotliegend), which is considered a natural analogue for the tight reservoir sandstones of the North German Basin. Two illite polytypes with a variety of characteristic structures have been identified in the Bebertal sandstone. Disordered 1Md illite forms the majority of the observed structures, which include omnipresent grain coatings, altered permeable feldspar grains and pore-filling meshwork structures. Trans-vacant 1M illite represents the second and youngest generation of authigenic illite and occurs as fibrous to lath-shaped particles that grew into open pore spaces and led to a significant reduction in porosity and permeability during late diagenesis. Based on these results, a model for the formation of illite polytypes in the aeolian layers of the Bebertal sandstone was developed that describes the temporal and spatial evolution of porosity and permeability during diagenesis. Information from this model was then used to improve the prediction of permeability of the Bebertal sandstone based on µXCT pore space models and direct numerical simulations. To achieve this, a micro-scale pore space model was created that allowed the simulation of permeability reduction by clay minerals by including nanoporous illite domains based on a novel morphological algorithm. By performing Navier-Stokes-Brinkman simulations, more accurate predictions of permeabilities with respect to experimentally determined values were obtained compared to conventional Navier-Stokes simulations. The detailed characterisation of the Bebertal sandstone has shown that natural reservoir rocks are usually complex heterogeneous systems with small-scale variations in texture, composition, porosity and permeability. Flow-through experiments on the Bebertal sandstone revealed that the coupled geochemical and hydrodynamic processes that occur during the dissolution of calcite could not be predicted by reactive transport models. Therefore, as part of this thesis, a novel approach for developing synthetic sandstones at low temperatures based on geopolymer binder was developed. It is shown that simpler and more homogeneous porous materials can be produced with porosity and permeability values in the range of natural sandstones. These can be used to better understand the dynamic and coupled processes relevant to the storage of renewable energy in reservoir rocks through improved experimental constraints. The final part of this thesis reports on a detailed clay mineral and pore space study of three shale formations and one mudstone that were identified as potential seals for the Mt. Simon sandstone reservoir in the Illinois Basin. During the Illinois Basin - Decatur Project, this reservoir was used for the sequestration of one megaton of supercritical carbon dioxide. In order to better assess the quality of the sealing units and to better understand the role of the intergranular clay mineral matrix as potential pathway for fluid migration, a multi-scale evaluation was conducted that included thin section analysis, quantitative evaluation of minerals by scanning electron microscopy (QEMSCAN), mercury intrusion capillary pressure (MICP) measurements, quantitative XRD and high-resolution FIB-SEM. The results allow for the classification of the studied formations into primary and secondary seals and emphasise the importance of three-dimensional clay-mineral-related pore structure characterisations in cap rock studies. XRD proved the most reliable method for the identification and quantification of clay minerals in the studied cap rocks and mudstones. In contrast, FIB-SEM and QEMSCAN provided the spacial constraints for reconstructing fluid flow pathways within the clay mineral matrix. Overall, this thesis highlights the importance of the precise identification of clay minerals in geological reservoirs and their cap rocks. It also illustrates the need for three-dimensional characterisation and modelling of the associated small pore structures for an improved understanding of the rocks diagenetic history as well as the prediction of the transport and storage properties of these crustal reservoir systems.
• Im Rahmen der Abkehr von fossilen Brennstoffen wird die Verwendung des tiefen geologischen Untergrundes zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zur Speicherung erneuerbarer Energien eine wichtige Rolle spielen. Um eine sichere und ökonomische Nutzung von porösen Untergrundspeichern zu gewährleisten, sind präsize Charakterisierungen der Qualität von Reservoiren und Abdeckschichten erforderlich. Von besonderem Interesse sind hierbei sowohl die Bestimmung der petrophysikalischen Eigenschaften, wie Porosität und Permeabilität, als auch die Prognose reaktiver Prozesse, wie Lösungsreaktionen, welche infolge der Wechselwirkungen zwischen Reservoirgestein und Formationsfluid auftreten können. Tonminerale sind häufiger Bestandteil vieler Reservoirsysteme und können je nach Art und Struktur erheblichen Einfluss auf die Speicher- und Transporteigenschaften haben. Die genauen Auswirkungen sind jedoch unzureichend untersucht. Schwerpunkte dieser Arbeit bilden daher mineralogische Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und strukturelle Analysen mittels Rasterlelektronenmikroskopie mit fokussierten Ionenstrahlpolituren (FIB-SEM) und Mikro-Computertomographie (µXCT), um ein besseres Verständniss des Einlusses von Tonmineralen auf die Eigenschaften von Reservoiren und Abdeckschichten zu erhalten. Den zentralen Teil dieser Arbeit bilden die Untersuchungen der Tonmineralogie und der Porenstrukturen des Bebertal Sandsteines der Parchim Formation (Oberrotliegend, Perm), welcher als Analoggestein für geringdurchlässige Reservoirsandsteine des Norddeutschen Beckens gilt. Es konnte gezeigt werden, dass zwei Illit-Polytype mit charakteristischen räumlichen Strukturen im Bebertal Sandstein auftreten. Ungeordnete 1Md Illite bilden den Großteil der beobachteten Strukturen, zu denen neben häufig auftretenden Kornüberzügen auch permeable, alterierte Feldspäte und porenraumfüllende Illit-Gitterstrukturen gehören. Trans-vakante 1M Illite stellen die zweite und jüngste Gruppe authigener Tonminerale dar und sind durch faserige bis lattige Kristalle gekennzeichnet, welche in den Porenraum hineinwachsen und eine starke Reduktion der Porosität und Permeabilität bewirken. Auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse wurde in Kombination mit direkten numerischen Modellierungen ein Modell zur Genese der Tonminerale der äolischen Schichten des Bebertal-Sandsteins entwickelt, das die zeitliche und räumliche Entwicklung von Porosität und Permeabilität infolge des Tonmineralwachstums während der Diagenese beschreibt. Informationen dieses Modells wurden genutzt, um eine Verbesserung der Vorhersagbarkeit der Gesamtpermeabilität des Bebertal Sandsteins auf Grundlage direkter numerischer Simulationen an µXCT Topologien zu ermöglichen. So konnte ein mikroskaliges Porenraummodell entwickelt werden, das die Permeabilitäten nanoskaliger Tonmineralstrukturen auf Basis eines neu entwickelten morphologischen Algorithmus berücksichtigt. Im Gegensatz zur konventionellen Navier-Stokes-Modellierungen konnten mit Navier-Stokes-Brinkmann-Simulationen genauere Vorhersagen der Permeabilitäten erzielt werden, deren Übereinstimmungen mit experimentell ermittelten Werten signifikant höher waren. Im Rahmen der Arbeiten am Bebertal Sandstein wurde deutlich, dass dieser infolge der Diagenese ein komplexes System mit kleinskaligen Heterogenitäten in Textur, Zusammensetzung, Porosität und Permeabilität darstellt. Diese führen nach Experimenten häufig zu Diskrepanzen zwischen Beobachtungen und Modellierungen, da sich die gekoppelten geochemischen und hydrodynamischen Prozesse, welche zum Beispiel infolge von Lösungsreaktionen von Kalzitzementen auftreten, nicht über reaktive Transportmodelle abbilden lassen. Aus diesem Grund wurde als Teil dieser Arbeit eine neuartige Methode entwickelt, welche Geopolymer-Bindemittel zur Herstellung synthetischer Sandsteine nutzt, um temperatursensitive Materialien in Experimenten besser untersuchen zu können. Die so angefertigten Analogmaterialien zeigten neben Porositäts- und Permeabilitätswerte im Bereiche natürlicher Sandsteine, eine deutlich homogenere Struktur bei definierter mineralogischer Zusammensetzung. Im abschließenden Teil dieser Arbeit wurden detaillierte Porenraumanalysen an den Abdeckschichten und Barrieregesteinen des Mt. Simon Sandsteinreservoirs aus dem Illinois Becken durchgeführt. Im Rahmen des Illinois Basin - Decatur Projekts, welches eines der ersten großangelegten Testprojekte zur Untergrundspeicherung von Kohlendioxid war, wurden drei das Reservoir überlagernde Tonschieferformationen und eine Tonsteinformation innerhalb des Reservoirs als potentielle Barrieren und Puffer des Mt. Simon Reservoirs identifiziert. Ziel dieser Untersuchungen war es, mittels Dünnschliffanalysen, Quecksilberporosimetrie, quantitative Mineralbestimmung mittels Rasterlelektronenmikroskopie (QEMSCAN), XRD und FIB-SEM, ein besseres Verständnis der Tonmineralmatrix der Barrieregesteine zu erhalten, welche als potentielle Fluidmigrationspfade gelten. Die Ergebnisse ermöglichten eine Einstufung der untersuchten Formationen in primäre und sekundäre Barrieren und lieferten wichtige Implikationen und Einschränkungen für die Nutzung der angewandten Methoden bei der Studie von Abdeckschichten. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass XRD die einzige angewandte Methode war, welche die quantitative und qualitative tonmineralogischen Zusammensetzung von Tonschiefern und Tonsteinen zuverlässig klären konnte. Weiterhin wurde deutlich, dass FIB-SEM und QEMSCAN komplementäre Methode darstellen, welche wichtige Informationen zu Wegsamkeiten innerhalb der Tonmineralmatrix liefern können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die genaue Untersuchung der tonmineralogischen Zusammensetzung von Reservoirgesteinen und Abdeckschichten, eine wichtige Grundlage zur Bewertung der Qualität dieser Gesteine darstellt. Weiterhin wurde demonstriert, dass sich mit Hilfe von gezielten FIB-SEM-Untersuchungen an Tonmineralen im Gesteinsverbund, wichtige Informationen zu Transport- und Speichereigenschaften von Gesteinen des Rervoirsystems gewinnen lassen. Die Nutzung dieser Daten ermöglicht sowohl das Ziehen von Rückschlüsse auf diagenetische Prozesse, als auch eine bessere Prognose von petrophysikalischen Parametern über Porenraummodellierungen.