Untersuchungen zur Anhydritverteilung in Sandsteinaquiferen

Untersuchungen zur Anhydritverteilung
in Sandsteinaquiferen
H. Pape1, J.Iffland2, R. Krug1, R. Wagner1,
1RWTH
Aachen
Angewandte Geophysik
2Landesamt
für Umwelt, Naturschutz und Geologie (LUNG)
Dichte (g/cm3)
Schallgeschwindigkeit (m/s)
Mecklenburg-Vorpommern, Güstrow
Länge (m)
Zusammenfassung
Am Beispiel der Bohrungen Allermöhe und Neuruppin mit stark durch Anhydrit zementierten
und daher nicht nutzbaren hydrothermalen Rätaquiferen wurden in umfassender Weise
gesteinsphysikalische Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, die Zusammenhänge zu
klären, die zu solchen lokalen intensiven diagenetischen Anhydritausfällungen führen. Die
Verteilungsmuster der zementierten Bereiche der Sandsteine im mikroskopischen Maßstab
und auf der Skala des Bohrprofils konnten mit unterschiedlichen Keimbildungswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Porengröße erklärt werden. Als geeignetste Methode zur
Untersuchung der Porengeometrie in den übriggebliebenen Restbereichen der stark
zementierten Proben erwies sich die PFG-NMR-Methode. Auf diesem Gebiet wurden
grundlegende theoretische Arbeiten durchgeführt, um die Auswertemethoden der PFG-NMRMessungen weiterzuentwickeln.
Als Resultat ergibt sich die Gliederung der Sandsteinhorizonte in zwei Faziestypen. Die
grobkörnige Fazies wurde in einem Versenkungsstadium fast vollständig zementiert, als die
Porosität etwa 30 % betrug. Dieser Prozess unterblieb in der feinporigen Fazies wegen zu
geringer Keimbildungswahrscheinlichkeit in engen Poren. Stattdessen wurde die Porosität des
nichtzementierten Sandsteins bei der nachfolgenden Versenkung durch mechanische
Kompaktion bei Neuruppin bis auf etwa 20 % und bei Allermöhe wegen der tieferen Lage des
Rät bis auf etwa 10 % reduziert. In bezug auf die fraktale Porenraumstruktur unterscheiden
sich beide Faziestypen, indem der zementierte Sandstein glatte Porenwände besitzt, während
bei dem mechanisch kompaktierten Typ die für normale Sandsteine fraktale Struktur mit der
fraktalen Dimension von 2,4 ausgebildet ist.
Für die gesamte Kernstrecke der Sandsteinhorizonte der Bohrungen Neuruppin wurde im
Labor die Gamma-Absorption und die Kompressionswellengeschwindigkeit linear hoch aufgelöst gemessen. Die Gamma-Absorption führt direkt auf die Gesteinsdichte. Unter Verwendung des diagenetischen Faziesmodells wurde eine Methode entwickelt, um allein aus der
Gesteinsdichte die Porosität und den Anhydritgehalt zu berechnen. In einem weiteren Schritt
lässt sich unter Verwendung der Permeabiltäts-Porositäts-Beziehung für durch Anhydrit
zementierte Sandsteine die Permeabilität aus der Porosität abschätzen.
Es wurde ein Szenario für lokal konzentrierte Anhydritzementation entwickelt, das durch
erste Modellrechnungen verifiziert werden konnte. Danach sind derartige Vorkommen an
tiefreichende Störungszonen gebunden. Nach diesen Vorstellungen wurden bei einem
Ereignis tektonischer Aktivierung heiße Fluide aus großer Tiefe gefördert, die sich mit den im
Aquifer zirkulierenden hochsalinaren Wässern mischten. Durch die Aufheizung wurden in
dem lokal beschränkten Bereich der Mischungszonen die Bedingungen für eine
Anhydritausscheidung erfüllt.
Ziele und Arbeitsprogramm
Die Ergiebigkeit und Fördereigenschaften von porösen Speichergesteinen werden oft durch
ein Zuwachsen des Speichers mit einem Sekundärmineral empfindlich beeinträchtigt. Dies
kann dazu führen, dass die Erschließung von Erdölfeldern, heißer Aquifere zur Erdwärmenutzung, oder von Speichern zur untertägigen Lagerung von Kohlenwasserstoffen bzw.
Deponierung gefährlicher Substanzen wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist. Im Falle der zur
Gewinnung geothermischer Energie vorgesehenen Bohrungen Allermöhe (bei Hamburg) und
Neuruppin 1/88 verhinderte die intensive Zementation mit Anhydrit eine Nutzung. Es ist ein
großes Problem, wenn nicht vorhergesagt werden kann, wo und in welchem Ausmaß ein
Speicher sekundär zementiert wurde. Um das große finanzielle Risiko beim Aufschluss von
Speichern durch Bohrungen zu verringern, muss daher verstanden werden, wie die beteiligten
Prozesse beim Entstehen von Zementation zusammenwirken. Hierzu wurden im Einzelnen:
(1) die geologischen und gesteinsphysikalischen Verhältnisse bei den bekannten, durch
Anhydrit zementierten Reservoiren untersucht;
(2) die Interpretation geophysikalischer Bohrlochmessungen weiterentwickelt, um aus
Standard-Logs den Anhydritgehalt sowie die Permeabilität zu ermitteln;
(3) Anhydritausfällung und -lösung im Labor untersucht;
(4) numerische Simulationen zur Prüfung von möglichen und wahrscheinlichen Szenarien für
die Entstehung massiver Anhydritzementation im geologischen Zeitrahmen und auf
regionaler Skala durchgeführt.
Erfolgte Arbeiten
Zu Beginn des Projektes wurde ein umfangreiches Material an bereits vorhandenen
gesteinsphysikalischen Daten, Bohrlochmessungen und an Bohrkernen beschafft. Bei den
Daten aus Bohrungen in Niedersachsen waren die Mitarbeiter der Kohlenwasserstoffgeologie
des Niedersächsischen Landsamtes für Bodenforschung (NLfB) behilflich und die Freigabe
erfolgte durch den Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.V. (WEG). Die
Bohrkerne der Sandsteinhorizonte des Rät der Bohrungen Neuruppin 1/88 und Neuruppin
2/87 wurden aus dem Kernlager Wünsdorf unter der Leitung von Dr. J. Kopp des Landesamts
für Geowissenschaften und Rohstoffe Brandenburg ausgeliehen. Zu Vergleichsmessungen an
reinem Anhydritgestein aus dem Zechstein wurden einige Kerne benutzt, die aus dem
Kernlager Sternberg unter Leitung von J. Iffland des Landesamts für Umwelt, Naturschutz
und Geologie (LUNG) Mecklenburg-Vorpommern zur Verfügung gestellt wurden. Außerdem
stellte J. Iffland einen umfassenden gesteinsphysikalischen und mineralogischen Datensatz
aus einer engen Kernbeprobung der beiden Neuruppin-Bohrungen zur Verfügung.
Zudem wurden Kernproben und Bohrlochmessungen der Bohrung Allermöhe aus einem
früheren Forschungsvorhaben (Bartels et al., 2001) für weiterführende Untersuchungen
verwendet (Pape et al., 1999b)
Als zeitaufwändige Vorarbeit mussten die Bohrlochmessungen aus alten Rätbohrungen im
Niedersächsischen Becken vor der Weiterverarbeitung digitalisiert werden.
Im Rahmen einer Diplomarbeit (Krug, 2003) wurden an den ausgeliehenen Bohrkernen die
Gamma-Absorption und die Kompressionswellengeschwindigkeit mit der am Institut vorhandenen Messstraße („core logger“) der Firma Geotek mit hoher linearer Auflösung gemessen
(siehe Titelbild). Zur Kalibration wurden an ausgebohrten Seitenkernen zusätzlich Rein- und
Rohdichte gemessen und hieraus die Porosität bestimmt. Diese Untersuchungen dienten dazu,
eine Methode zu entwickeln, um aus kontinuierlichen Messungen der Gamma-Dichte an
Bohrkernen oder im Bohrloch die vertikale Anhydritverteilung und Porosität zu bestimmen.
Um die Ursachen der kleinskaligen Anhydritverteilung zu verstehen, soweit sie auf den
Gesteinseigenschaften beruhen, wurden Untersuchungen der Porenraumstruktur an
Kernmaterial der Bohrung Allermöhe durchgeführt. Dabei handelt es sich im Schwerpunkt
um zwei Forschungsarbeiten:
(1) In Zusammenarbeit mit Dr. M. Holz und Dr. J. Tillich der NMR-Arbeitsgruppe vom
Institut für Physikalische Chemie der Universität Karlsruhe wurde die Interpretation von
Messungen der behinderten Diffusion in porösen Medien in der Weise weiterentwickelt,
dass zusätzlich zur Weite der Porenbäuche auch das Ausmaß der Einschnürung der Poren
abgeschätzt werden kann;
(2) Zur Untersuchung der fraktalen Porenwandstruktur wurden unter Leitung von Dr. F.
Börner am Dresdner Grundwasserforschungszentrum Messungen der komplexen
elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt.
Ergebnisse
Auf der Grundlage von gesteinsphysikalischen Untersuchungen an den Fallbeispielen der
Bohrungen Allermöhe und Neuruppin ließen sich Zusammenhänge zwischen Gesteinsstruktur
und Ausfällungsprozess erkennen, durch welche die räumlichen Verteilungsmuster der
Anhydritzementation im vertikalen Profil der Sandsteinaquifere und auf mikroskopischer
Skala erklärt werden können. Es ergab sich, dass im Falle einer Übersättigung zusätzlich auch
die Keimbildungsgeschwindigkeit darüber entscheidet, ob eine Anhydritausscheidung erfolgt
oder nicht. Die Ergebnisse über mechanische und chemische Kompaktion der Rätsandsteine
wurde weiterhin benutzt, um eine Methode zur Berechnung eines Anhydrit- und
Porositätslogs aus kontinuierlichen Messungen der Gamma-Absorption zu entwickeln.
Außerdem gestatten die untersuchten Permeabilitäts-Porositäts-Beziehungen die Erstellung
eines Permeabilitäts-Logs für durch Anhydrit zementierte Sandsteinaquifere.
Die von R. Wagner aus unserer Arbeitsgruppe durchgeführten numerische Simulationen
zeigten, dass unter zu Grunde legen eines Szenarios, bei dem bestimmte geologische
Voraussetzungen zeitlich und räumlich zusammentreffen, die lokalen massiven
Anreicherungen von Anhydritzement erklärt werden können.
Anhydrite log
of well site Allermoehe near Hamburg
calculated from GR, gamma density, and NMR logs
3150
depth (m)
10
freefree
water
water
cappillarybound
bound water
cappillary
water
clay bpound water
clayanhydrite
boundcemented
water porosity
anhydrite
shale cemented porosity
quartz and feldspar
shale
quartz and feldspar
9
3200
8
7
6
3250
5
4
3300
3
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
mineral and fluid volumes
Abb. 1 Anhydrit-Log für den Rät-Aquifer der Bohrung Allermöhe bei Hamburg. Die Volumenanteile
wurden aus den NMR-, Gamma-Dichte und GR-Logs berechnet.
2
Porenraumstruktur, Keimbildung und Anhydritausfällung
Im Verlaufe der durchgeführten Projekte zur Anhydritzementation wurden die Bohrungen
Allermöhe
und Neuruppin mit Standardmessungen und Spezialuntersuchungen an Bohr1
kernen sehr gründlich gesteinsphysikalisch untersucht. Mit Hilfe der sich ergänzenden Verfahren wurden genauere Vorstellungen über die Porenraumstruktur gewonnen. Für die Bohrung Allermöhe existieren außerdem die Daten eines modernen Bohrlochmessprogramms.
Dies ermöglichte bei der Entwicklung neuer Methoden zur Bestimmung physikalischer
Parameter eine Kalibrierung mit unabhängig bestimmten Daten.
Für den Rät der Bohrung Allermöhe ließ sich ein Log der Gesteinskomponenten (i) Tonanteil,
(ii) Kornanteil aus Quarz und Feldspat mit der Dichte 2630 kg m-3, (iii) Anhydrit und (iv)
Porosität erstellen (Abb. 1). Die Berechnung dieser vier Komponenten erfordert drei
Bohrlochmessungen (die Porosität ergibt sich als Differenz der drei Gesteinsanteile zu 100
%). In unserem Fall wurden die Gamma-, Gamma-Dichte- und NMR-Logs verwendet. Für
die Sandsteinhorizonte der Bohrungen Neuruppin lagen die Zusammensetzungen mit den
Komponenten Kornanteil, Anhydrit und Porosität aus einer engen Kernbeprobung vor. Wir
betrachten hier hauptsächlich die Bohrung Neuruppin 1/88, die viel intensiver zementiert ist
als die Bohrung 2/87. Ein gemeinsames Kennzeichen der Anhydritverteilung in den
Säulenprofilen ist die Abnahme des Anhydritgehaltes vom Liegenden zum Hangenden
sowohl bezogen auf den gesamten Rätaquifer (Abb. 1) als auch auf die einzelnen
Sandsteinhorizonte. Eine parallele Entwicklung zeigt die Korngröße des sedimentierten
Sandsteins, die von unten nach oben abnimmt. Ein weiteres Kriterium ist die Summe aus
Anhydrit und Porosität, bei in den stark zementierten Sandsteinen etwa 30 % beträgt, was
ungefähr der Ausgangsporosität entspricht, unmittelbar bevor die Zementierung erfolgte. Die
nicht zementierten Rätsandsteine der Bohrung Neuruppin 1/88 besitzen eine Porosität von
etwa 20 % und die der Bohrung Allermöhe von etwa 10 %. Diese Sandsteine wurden also im
Gegensatz zu den chemisch kompaktierten Sandsteinen bei der weiteren Versenkung des Rät
mechanisch weiter kompaktiert, im tiefer liegenden Rät von Allermöhe entsprechend stärker
als bei Neuruppin.
Die Einteilung der durch Anhydrit zementierten und der nicht zementierten Rätsandsteine in
zwei diagenetische Faziestypen ergibt sich aus den verschiedenen petrophysikalischen
Untersuchungen an Einzelproben:
(1) Es gibt zwei Typen von Porenradienverteilungen, die mit der Quecksilberporosimetrie
gemessen wurden. Bei den zementierten Proben (Anhydritzement-Typ) ist die Verteilung
eng. Dagegen entsprechen die breiten Verteilungen der anhydritfreien, mechanisch
kompaktierten Proben einer fraktalen Porenraumgeometrie mit der fraktalen Dimension
D=2,4 (Normaltyp);
(2) Die auf das Porenvolumen bezogene spezifische Oberfläche Spor ist beim Anhydritzement-Typ kleiner als beim Normaltyp;
(3) Mit den Ergebnissen der inneren Oberfläche stimmen die Untersuchungen der komplexen
elektrischen Leitfähigkeit überein: Für den Anhydritzement-Typ wurden extrem kleine
Phasenwinkel und niedrige Werte der Grenzflächen-Leitfähigkeit gemessen. Das deutet
auf glatte Porenwände mit der fraktalen Dimension D2. Demgegenüber liegen die
Phasenwinkel und die Grenzflächen-Leitfähigkeiten beim Normaltyp im Rahmen
gewöhnlicher Quarzsandsteine;
(4) Um zu klären, bei welchem Faziestyp die größeren Poren vorhanden sind, eignen sich die
mit der Quecksiber-Intrusionsmethode gemessenen Porenradienverteilungen nicht, da
hierbei jeweils die mit Quecksilber erfüllten Volumina den Radien der zu diesen
Volumina führenden Porenhälse und nicht den Porenbäuchen zugeordnet werden. Bei den
stark mit Anhydrit zementierten Proben liegen die unzementierten, freien Porenbereiche
zwischen den vollständig zementierten Flecken und Bändern und sind nur durch enge
Verbindungen zugänglich. Hierdurch werden in Hinsicht auf die Porenbäuche viel zu
kleine Porenradien vorgetäuscht. Deshalb wurden mit Hilfe der PFG-NMR-Methode
Untersuchungen der behinderten Diffusion im porösen Medium durchgeführt (Tillich,
2003; Pape et al. 2003). Aus dem Kurzzeitverhalten der von der Beobachtungszeit
abhängigen Selbstdiffusionskoeffizienten des Wassers lassen sich jedoch die Radien der
Porenbäuche bestimmen (Abb. 2). Diese sind beim Anhydritzement-Typ größer sind als
beim Normaltyp. Eine neuentwickelte Auswertemethode erlaubt es zudem, aus dem
Langzeitverhalten die Radien der Porenhälse zu schätzen, die beim Anhydritzement-Typ
kleiner sind als beim Normaltyp. Dies stimmt in der Tendenz mit den Ergebnissen der
Quecksilber-Intrusionsmethode überein.
Die vorliegenden Untersuchungen legen nahe, dass bei der Zementation mit Anhydrit die
grobporigen Sandsteine bevorzugt wurden. Als Erklärung scheidet eine erleichterte
Kristallisation von Anhydrit an den Porenwänden aus, da in diesem Fall die feinporigen
Sandsteine mit großer spezifischer Oberfläche bevorzugt zementiert sein müssten. Das
Argument der größeren Permeabilität mit entsprechend größerem Stoffdurchsatz würde nur
für den Beginn der Zementation zutreffen, denn während der Zementation sinkt die
Permeabilität weit unter die Werte der benachbarten nicht zementierten Sandsteine. Aus der
mikroskopischen Struktur der Anhydritzementierung ergibt sich jedoch eine weitere
Erklärungsmöglichkeit. Es zeigt sich, dass eine Zementation immer nur mit relativ wenigen
Keimen begann, welche viele Sandkorn- bzw. Porenabstände auseinander liegen. Diese
Keime wuchsen dann in optischer Kontinuität des Anhydritgitters zu größeren Flecken indem
sie die benachbarten Sandkörner einschlossen. Die vermutete entscheidende Rolle der
Keimbildungswahrscheinlichkeit führte zur Planung und Durchführung von Laborexperimenten durch V. Meyn am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik der TU Clausthal (Meyn,
2003). Für die Ausfällungsexperimente im Temperaturgradienten wurden Rohre, Kapillaren
und poröse Sandsteine benutzt. Dabei zeigte sich, dass die Keimbildungsgeschwindigkeit mit
einer Potenz des Porenradius zunimmt. Bei zu kleinen Porenradien bilden sich dagegen
überhaupt keine Keime.
Two types of sandstone in the Allermoehe aquifer
according to PFG-NMR studies
average sandstone type
DD0
anhydrite cemented type
DD0
1.0
1.0
0.9
Allermoehe 3
simulation
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0
10
20
2
(<z >)
1/2
Allermoehe 10
simulation
0.9
30
0.0
0
10
m)
10
20
2
(<z >)
50 (m)
1/2
30
m)
10
50 (m)
Abb. 2 Untersuchung
der Porenraumstruktur
von zwei diagenetischen
Sandsteintypen
mit Hilfe der PFGNormalized
diffusion coefficient
D()/D0 versus
mean-squared
NMR-Methode
(links:
mechanisch
kompaktiert;
rechts:
mit
Anhydrit
zementiert).
Im
Diagramm
DD
DD
0
displacement
(<z2>)1/2 measured on two0 samples of Rhaetian sind der
normierter Diffusionskoeffizient
D()/D0 gegen die Wurzel1.0
der mittleren quadratischen Verschiebung
1.0
sandstone.
2
1/2
(<z >)
aufgetragen. Die DatenAllermoehe
wurden6 durch Anpassung mit einem neu entwickelten
SimulationsAllermoehe 12
0.9
0.9
simulation
programm (Tillich,
2003;
Tillich,
Holz, 2003,with
sieheaAnlage
B) mitmodel
den simulation
grauen
Modellkapillaren
The data
arePape,
fitted
by aand
simulation
structured
capillary
0.8
interpretiert(Pape,
(schwarze
Linie).
0.8
Tillich,
and Holz, 2002).
0.7
0.7
Abb. 3 zeigt mikroskopische Strukturmodelle für die Faziestypen des Rätsandsteins.
0.6 und zum Anhydritzementtyp ist die
Zusätzlich 0.6
zum mechanisch kompaktierten Normaltyp
0.5
0.5
Quarzzementation
dargestellt. Diese tritt in den Rätsandsteinen
zusätzlich auf, ist jedoch nicht
der dominierende
Typ.
Zum
Vergleich
ist
als
Ausgangspunkt
der
Diagenese die sedimentierte
0.4
0.4
Kornschüttung
schematisch dargestellt.
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0
10
20
2
1/2
30
0.0
0
10
20
2
1/2
30
Pore space structure of different types
of sandstone diagenesis
mechanical compaction
sphere model
fractal model
chemical compaction
quartz
cementation
anhydrite
cementation
Abb. 3 Strukturmodelle für verschiedene mechanisch bzw. chemisch kompaktierte Sandsteintypen (oben)
und Zementation der sedimentierten Kornschüttung mit Anhydrit (unten).
Berechnung von Anhydrit- und Porositäts-Log aus der Gamma-Dichte
Zu den hoch aufgelösten Messungen der Gamma-Dichte an den Sandsteinhorizonten der
Bohrungen Neuruppin (siehe Titelbild) wurde eine Methode zur Bestimmung von Porosität
und Anhydritgehalt entwickelt. Bei Berücksichtigung der drei Komponenten Porosität,
Anhydrit- und Quarzgehalt (Quarz-Feldspatgemisch mit Dichte  =2630 kg m-3) wird
zusätzlich zur Gesteinsdichte b noch die Porosität oder eine Bestimmungsgleichung für sie
benötigt, um die Zusammensetzung quantitativ zu beschreiben. Im Falle der Bohrung
Allermöhe (Abb. 1) ergibt sich die Porosität aus dem NMR-Log. Unter Verwendung eines
Logs der natürlichen Gammastrahlung (GR)GR, konnte als weitere Komponente auch noch
der Tonmineralgehalt bestimmt werden.
Wenn die Porosität nicht bekannt ist, kann ersatzweise eine Bestimmungsgleichung
verwendet werden, die den diagenetisch bedingten Zusammenhang zwischen Porosität und
Anhydritgehalt beschreibt. Zur Veranschaulichung der Beziehungen der Volumina der
Gesteinskomponenten und der zugehörigen Gesteinsdichten während der chemischen und
mechanischen Kompaktion wurde folgendes Nomogramm (mit Geraden gleicher
Gesteinsdichte) entwickelt (Abb. 4).
primary quartz matrix
anhydrite cement
quartz cement
porosity
bulk = 1.578
bulk = 1.710
bulk = 1.841
bulk = 1.973
bulk = 2.236
bulk = 2.104
bulk = 2.367
bulk = 2.630
bulk = 2.499
mean of core 28_04
0.0
Vanhydrite /Vcement
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
porosity
Abb. 4 Schematisches Nomogramm der Gesteinsdichte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung eines
Sandsteins im Zusammenhang mit der Zementation und Kompaktion.
Als Ausgangsstadium wird ein Zustand lange vor der Anhydritzementation mit 40 % Porosität
und 60 % primärem Quarzgehalt angenommen. In der Folge nimmt die Porosität ab, sodass
sich in jedem Fall ein Zusatz-Matrixvolumen ergibt, einerseits durch echten Ersatz des
Porenvolumens durch Zementation mit Anhydrit oder Quarz oder durch mechanische
Kompaktion. Die beiden Faziestypen der durch Anhydrit zementierten und der mechanisch
kompaktierten Sandsteine ergeben zwei unterschiedliche diagenetische Trendlinien in dem
Nomogramm mit jeweils einem Häufungspunkt am Ende der Trendlinien (Abb. 5). Die
Verbindungsgerade dieser Häufungspunkte ergab eine brauchbare Porositäts-GesteinsdichteBeziehung für den Gesamtaquifer:

 := VAnhydrit/VZement = 0,7546 + 3,7730 

wo  den auf das Zementvolumen VZement normierten relativen Anteil des mit Anhydrit
zementierten Volumens VAnhydrit bezeichnet. Mit dieser Gleichung und der Gleichung für die
Linien gleicher Gesteinsdichte lassen sich Porosität und Anhydritgehalt für das gemessene
Profil der Sandsteinhorizonte der Neuruppin Bohrungen aus den Gamma-Dichten berechnen.
path of compaction
composed samples
Vanhydrite /Vcement
path of anhydrite cementation with compaction
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
porosity
Abb. 5 Diagenetische Pfade der Anhydritzementation und mechanischen Kompaktion im Nomogramm
der Gesteinsdichte. Die linke blaue Gerade entspricht der Gleichung , die einen Zusammenhang
zwischen Porosität und Anhydritgehalt für Mischgesteine aus den beiden Faziestypen der zementierten
und unzementierten Sandsteine herstellt.
Das Ergebnis für die Bohrung Neuruppin 1/88 ist in Abb. 6 dargestellt. Gegenübergestellt ist
ein Profil der Gesteinszusammensetzung, das aus unabhängigen Bestimmungen an Kernen
von einer dichten Beprobung gewonnen wurde. Man erkennt eine sehr gute Übereinstimmung. Mit dieser Methode konnten auch für Bohrungen in den Rätaquiferen des Gasfelds
Thönse Porositäts- und Anhydrit-Logs aus vorhandenen Gamma-Dichte-Logs berechnet
werden. In den untersuchten Fällen wurden in Übereinstimmung mit den Gesteinsbeschreibungen der Bohrungen geringfügige Anreicherungen von Anhydrit gefunden. Diese
können jedoch nicht mit der viel bedeutenderen Zementation der Bohrungen Allermöhe und
Neuruppin verglichen werden.
(a) calculated from gamma density
porosity
anhydrite
quartz and feldspar
2180
depth (m)
depth (m)
2180
2200
(b) measured on cores
2200
2220
2220
2240
2240
2260
2260
2280
2280
2300
2300
2320
2320
2340
2340
2360
2360
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
mineral and fluid volumes
mineral and fluid volumes
Abb. 6 Säulenprofile der Gesteinszusammensetzung mit Porosität und Anhydritgehalt des Teilaquifers im
Rät der Bohrung Neuruppin 1/88. Links: berechnetes Log aus kontinuierlichen Messungen der GammaDichte; Rechts: an Kernen direkt bestimmte Werte.
Permeabilitäts-Porositäts-Beziehung und Permeabilitäts-Log
In früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe wurden die grundsätzlichen Zusammenhänge der
Beziehung zwischen Permeabilität und Porosität von Sandsteinen auf der Grundlage der fraktalen Porenraumstruktur untersucht (Pape et al. 1999a, 2000). In einer spezielle Untersuchung
an Probenmaterial aus der Bohrung Allermöhe wurde eine Beziehung entwickelt, die einen
Kompromiss für die beiden oben beschriebenen Faziestypen darstellt (Pape et al. 1999b):
k = 0,309 (100)4,85 (nm2),
(2)
während die stark durch Anhydrit zementierte Fazies derselben Permeabilitäts-Porositätsbeziehung gehorcht, die allgemein für zementierte Sandsteine wie den FontainebleauSandstein (Bourbie und Zinszner, 1985) gilt:
k = 303 (100)3,05 (nm2) für  > 0,08,
(a)
(3)
k = 0,0275 (100)7,33 (nm2) für   0,08.
(b)
Dagegen gilt für die reine unzementierte Sandsteinfazies des Rät die allgemeine Gleichung
für gewöhnliche Sandsteine:
k = 31 + 74632 + 191(10)10 (nm2).
(4)
Diese Zusammenhänge sind in Abb. 7 dargestellt. und lassen sich besonders gut an den
Porositäts-Permeabilitäts-Daten einzelner Proben erkennen, die Lösungsversuchen unterworfen wurden (Abb. 8). Die durch Anhydrit zementierten Proben liegen vor und nach der
Anhydritauflösung an verschiedenen Punkten auf der durch Gleichung (3) beschriebenen
Kurve. Die von Anhydrit freien Proben werden auf die Kurve der Gleichung (4) abgebildet.
10
10
7
6
2
permeability (nm )
10
8
10
10
10
10
10
10
5
4
3
2
1
0
1
10
porosity(%)
un-cemented Allermoehe sandstone
anhydrite cemented Allermoehe sandstone
average sandstone
Fontainebleau sandstone (Bourbie and Zinszner,1985)
sand (Schopper, 1967)
Abb. 7 Beziehung zwischen Permeabilität k und Porosität  für Allermöhe-Sandstein.
Mit Gleichung (2) wurde aus dem Porositäts-Log der Bohrung Neuruppin 1/88 ein Permeabilitäts-Log berechnet, das in Abb. 9 dargestellt ist. Es zeigt sich eine prinzipiell gute
Übereinstimmung mit den direkt an Kernen gemessenen Permeabilitäten.
Porosity and permeability changes
during dissolution of anhydrite
8
8
10
10
7
7
10
10
6
2
permeability(nm
(nm2))
permeability
6
10
10
5
5
10
10
4
4
10
10
3
3
10
10
2
2
10
10
1
1
10
10
0
0
10
10
11
10
10
porosity(%)
porosity (%)
average type of sandstone (Pape et al., 1999)
Fontainebleau sandstone (Bourbie and Zinszner, 1985)
sand (Schopper, 1967)
Allermoehe Rhaethian sandstone
the same after dissolution of anhydrite
Allermoehe Rhaethian sandstone (Baermann et al., 2000)
the same after dissolution of anhydrite
Abb.
8 Veränderung
von Porosität
 und Permeabilität
k während
der Auflösung
von Anhydrit
im Labor.
Changes
by dissolution
of anhydrite
in Allermoehe
Rhaethian
sandstone
represented
in a
log-log plot of permeability versus porosity.
Anhydrite log
of well site Neuruppin 1/88
calculated from gamma density core measurements
depth (m)
2180
2200
2220
2240
measured on cores
calculated
2260
2280
2300
2320
2340
2360
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
2
permeability (nm )
Abb. 9 Aus Porositäten berechnete Permeabilitäten (blau) im Vergleich zu Messungen an Kernproben
(rot) für die Bohrung Neuruppin 1/88.
1.1.1 Szenario zur regionalen Verteilung extrem starker Anhydritzementation
Auf regionaler Skala interessieren die geologischen Bildungsbedingungen für eine lokale
Ausfällung von Anhydrit in Sandsteinaquiferen. Dabei sind zunächst die chemischen
Löslichkeitseigenschaften von Anhydrit zu berücksichtigen, insbesondere dessendie
retrograde Löslichkeit: Die Löslichkeit sinkt mit steigender Temperatur. Im übrigen steigt die
Löslichkeit mit dem Druck und der Salinität. Eine weitere Frage ist die der Herkunft der
chemischen Komponenten, d. h. der Calcium- und Sulfat-Ionen bzw. des an anderer Stelle
gelösten Anhydrits. Wie der schematische Krustenquerschnitt durch ein Sedimentbecken wie
das Norddeutsche Becken in Abb. 10 zeigt, liegen im Liegenden und Hangenden des Rät
mehrere Evaporitabfolgen mit sedimentär abgelagertem, reinen Anhydrit. Durch die Bildung
von Salzstöcken sind insbesondere die mächtigen Anhydritschichten des Zechstein in eine
Teufenlage oberhalb des Rätaquifers gelangt, sodass dort bei relativ niedriger Temperatur
anhydritgesättigte hochsalinare Lösungen gebildet werden können. Wenn diese in
hydraulischer Verbindung mit dem Rätquifer durch relativ flache, schräg im Raum
verlaufende Konvektionsströmungen in tiefer gelegene, wärmere Bereiche gelangen, kann
durch Übersättigung eine Ausfällung von Anhydrit erfolgen.
Abb. 10 Schematischer Krustenschnitt zu den Mechanismen der Anreicherung mit Anhydrit (dunkelblau)
im Norddeutschen Becken.
Für dieses Szenario wurden innerhalb des parallel laufenden BMWi-Projekts von M. Kühn
Modellrechnungen durchgeführt (Kühn und Günter, 2003). Diese ergaben tatsächlich die
geforderten Konvektionsströmungen mit großräumigen Umlagerungen von Anhydrit
innerhalb verhältnismäßig großer geologischer Zeiträume. Derartige lokale, ganz massive
Anreicherungen mit Anhydrit wie in den Bohrungen Allermöhe und Neuruppin lassen sich
jedoch mit diesem Szenario allein nicht erklären. Deshalb wurde dieses erweitert, wobei die
Anregung von Untersuchungen an Flüssigkeitseinschlüsse im Rätsandstein des Gasfeldes
Thönse ausging (Rieken und Gaupp, 1991). Eine Gruppe von Fluideinschlüssen, die in
Zusammenhang mit Anhydritzementation gebracht wurde deuteten auf eine Mischung von
heißen Fluiden mit kühleren hochsalinaren Fluiden im Zusammenhang mit tektonischen
Hebungsphasen hin. Daraufhin wurde ein modifiziertes Szenario entwickelt, welches
schematisch in Abb. 11 dargestellt ist. Erste Modellrechnungen von R. Wagner zeigten, dass
im Kreuzungsbereich einer Kluftzone mit dem Aquifer in relativ kurzen geologischen Zeiten
Model of anhydrite
cementation
größere Mengen Anhydrit ausgeschieden
werden
können. Die dafür erforderliche Zeit
entspricht jener von der
Kluftöffnung
bis zum
Abbau
desgas
Überdrucks.
regarding
fluid inclusion
studies
in the
field Thoense
by Rieken & Gaupp (1991)
Continuous flow of brine in
the aquifer
high salinity
high Ca2+ and SO42concentration
episodic flow
of hot brine in
fault
released from
deep
overpressure
zone
temperature according to
depth
possible thermal events during
tectonic activity in the
beginning Lower Cretaceous
or in the Middle Cretaceous
Abb. 11 Krustenschnitt für ein Szenario einer lokal starken Anreicherung von Anhydritzement, erklärt
durch die Mischung zweier Fluidströme verbunden mit einer episodischen Aufheizung.
Danksagung
Die Untersuchungen wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie über PTJ-Jülich im Rahmen des Verbundvorhabens „Szenarien der Entstehung
von Anhydritzementation – Zuverlässigere Prognosen der petrophysikalischen
Reservoireigenschaften und mögliche Maßnahmen zu ihrer Verbesserung ”;
Förderkennzeichen 032 7095 A sowie durch die Deutsche Forschungsgesellschaft DFG im
Rahmen des Projektes „Das Erkennen, Beschreiben und Erklären von Mustern der
Permeabilitätsverteilung in zementierten Speichergesteinen mit geophysikalischen Logs,
fraktalen Strukturmodellen und gekoppelten numerischen Simulationen“ unter dem
Förderkennzeichen CL 121/11-1.
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