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Main Title: 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
Translated Title: Thermische Eigenschaften Gashydratführender Sedimente und Einflüsse von Phasenübergängen auf den Wärmetransport Abgeleitet Anhand von Bohrlochtemperaturmessungen in Mallik, NWT, Kanada
Author(s): Henninges, Jan
Advisor(s): Burkhardt, Hans
Granting Institution: Technische Universität Berlin, ehemalige Fakultät VI - Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: 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.
Detailed knowledge about the thermal properties of rocks containing gas hydrate is required in order to quantify processes involving the formation and decomposition of gas hydrate in nature. This work investigates the influence of methane hydrate on the transport of heat in hydrate-bearing rocks. Both the thermal conductivity of gas-hydrate bearing sediments and the thermal effects of phase transitions are analyzed. In the framework of the Mallik 2002 program three wells penetrating a continental gas hydrate occurrence under permafrost were successfully equipped with permanent fiber-optic distributed temperature sensing cables. Temperature data were collected over a period of 21 months after completion of the wells. The analysis of the disturbed well temperatures after drilling revealed a strong effect of phase transitions on temperature changes. For the first time, the effects of induced temperature changes within a gas hydrate deposit were monitored in-situ. The resulting temperature gradient anomalies could be successfully utilized to determine the base of the gas hydrate occurrences and the permafrost layer at about 1103-1104±3.5 m and 599-604±3.5 m below ground level respectively. At the end of the 21-month observation period, the well temperature returned close to equilibrium with the formation temperature. At the base of the gas hydrate occurrences a temperature of 12.3 °C was measured, which is about 0.7 K below the stability temperature predicted by thermodynamic calculations considering a pressure gradient of 10.12 kPa/m and a sea-water salinity of 35 ppt. Under the stated conditions, the base of the stability zone of methane hydrate at Mallik would lie at about 1140 m below ground level. Thermal conductivity profiles were calculated from the geothermal data as well as from a petrophysical model derived from the available logging data and application of mixing-law models. The results indicate, that variations of thermal conductivity are mainly lithologically controlled with a minor influence from hydrate saturation. The results of the geometric mean model showed the best agreement to the thermal conductivity profiles derived from geothermal data. Average thermal conductivity values of the hydrate-bearing intervals range between 2.35 W/m*K and 2.77 W/m*K. A simplified numerical model of conductive heat flow was set up in order to assess the temperature effect of phase transitions within the gas hydrate bearing strata. Within the model the mobilization of latent heat during the phase transition was considered (enthalpy method), taking into account the stability conditions for methane hydrate at Mallik (pressure, temperature, pore fluid and gas phase composition) as well as effects of hydrate decomposition on the thermal rock properties. The modelling results indicate, that the regeneration of hydrate after the recovery of stability conditions is inhibited.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-10642
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1501
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1204
Exam Date: 22-Apr-2005
Issue Date: 11-Oct-2005
Date Available: 11-Oct-2005
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Bohrloch-Temperaturmessung
Geothermischer Gradient
Methanhydrat
Numerische Modellierung
Phasenübergänge
Wärmefluss
Wärmeleitfähigkeit
Geothermal gradient
Heat flow
Methane hydrate
Numerical modeling
Phase transitions
Temperature logging
Thermal conductivity
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