Labor Thermische Petrophysik

Das Gesteinsthermische Labor wird durch die Mitglieder der Arbeitsgruppe "Exploration Thermischer Geosysteme" betrieben. Wir sind eine aktive Forschungsgruppe, mit einer weiten Spannbreite laufender Forschungsprojekte die Bezug zum Erdtemperaturfeld haben. Um thermisches Parameter des Untergrundes zu bestimmen bringen wir verschiedenen Messmethoden zur Anwendung. Zur Bestimmung von Wärme- und Temperaturleitfähigkeit unter ambienten Laborbedingungen kommt ein optischer Scanner (Thermal conductivity scanner, TCS) zum Einsatz.

Für Messungen unter in-situ Druck- und Temperaturbedingungen entwickeln wir derzeit einen entsprechenden Laboraufbau auf Basis einer modifizierten Puls-Methode.

In Abhängigkeit vom Zweck der Messung und den anwendbaren Präparationsschritten, sind die geeignetsten Proben entweder Voll- oder Halbkerne. Aufschlussproben oder Cuttingproben können aber bei Bedarf ebenso verwendet werden. Zur Präparation der Gesteinsproben (sägen, bohren, polieren) können wir verschiedene Einrichtungen nutzen. Über die Jahre haben wir umfangreiche Erfahrungen bei der Präparation, Messung und wissenschaftlichen Verarbeitung von tausenden von sedimentären, magmatischen und metamorphen Gesteinen gesammelt. Diese können wir je nach Gesteinsprobe und Anwendungsfall für die Messungen mit verschiedenen Porenfluiden sättigen (Luft, Wasser, Formationsfluid, Heptan, Isooctan, etc.). Für weitergehende Untersuchungen im Hochtemperaturbereich (bis 1200 K), nutzen wir Einrichtungen von Partnerinstituten, beispielsweise:

  • Laser-Flash Analyse (LFA)
  • Differentialkalorimeter (DSC)
  • Transient plane source (TPS)-Technik

Wir stellen unsere Expertise im Rahmen wissenschaftlicher Kooperationen sowie als Service zur Verfügung. Suchen Sie mehr Informationen oder möchten Sie uns unterstützen?

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Der Wärmeleitfähigkeits-Scanner (TCS: Thermal Conductivity Scanner) ist eine kontaktlose, zerstörungsfreie, kontinuierlich operierende und sehr schnelle Methode Profile von Wärmeleitfähigkeit oder Temperaturleitfähigkeit einer Gesteinsprobe mit einer Auflösung von 1-3 mm zu messen. Der Fehler, der unter diesen Bedingungen für die Bestimmung unter trockenen oder saturierten Bedingungen zu erwarten ist beträgt < 3% (TC Modus) and < 5% (TC-TD Modus) (Popov et al., 1999; Popov et al., 2003). Die zu messende Probenoberfläche unterliegt keinen strikten Vorgaben, die besten Ergebnisse werden aber an gesägten und polierten Gesteinsoberflächen erreicht. Die Messfläche muss mit einem 10-15 mm breiten und etwa 30 µm dicken schwarzen Lackstreifen versehen werden, um ein einheitliches optisches Reflexions- und Absorptionsverhalten aller Gesteinskomponenten zu erreichen.

Die Grundlagen des Messverfahrens der TCS-Apparatur sind von Yuri Popov entwickelt worden (Popov, 1983; Popov et al., 1984). Eine fokussierende, mobile und kontinuierlich arbeitende Wärmequelle fährt bei dieser Messmethode zusammen mit Infrarot-Temperatursensoren einen Probenkörper ab. Die Wärmequelle und die Temperatursensoren bewegen sich mit gleicher relativer Geschwindigkeit und mit gleichem Abstand zueinander entlang der Probenkörper. Die Bestimmung der thermischen Eigenschaften basiert auf dem Vergleich der durch die Wärmequelle erhöhten Temperaturen von Standards (die bekannte Eigenschaften besitzen) mit den erhöhten Temperaturen von einer oder mehreren Proben mit unbekannter Eigenschaften.

Popov et al. (1999) belegen durch Vergleich der mit unterschiedlichen Messeinrichtungen gemessenen Wärmeleitfähigkeit, dass die TCS-Apparatur sich von den anderen Verfahren durch eine einfache Bedienung, durch berührungsfreie und sehr schnelle Messung und durch die Möglichkeit, direkt den Bereich einer Kernprobe zu vermessen und sich die Heterogenität der Wärmeleitfähigkeit entlang der Messlinie anzeigen zu lassen (Abb. 2), auszeichnet. Die Probendurchmesser sollten größer als 3 cm sein.

References:

  • Popov, Y. A. (1983). "Theoretical models of the method of determination of the thermal properties of rocks on the basis of movable sources: Part 1 (in Russian)." Geologiya i Razvedka "Geology and Prospecting"(9): 97-103.
  • Popov, Y. A., V. G. Semionov, V. M. Korosteliov and V. V. Berezin (1984). "Non-contact evaluation of thermal conductivity of rocks with the aid of a mobile heat source (in Russian)." Izvestiya, Physics of the Solid Earth 19(563-567): 83-86.
  • Popov, Y. A., D. F. C. Pribnow, J. H. Sass, C. F. Williams and H. Burkhardt (1999). "Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning." Geothermics 28(2): 253–276.
  • Popov, Y., V. Tertychnyi, R. Romushkevich, D. Korobkov and J. Pohl (2003). "Interrelations between thermal conductivity and other physical properties of rocks: Experimental data." Pure and Applied Geophysics 160(5–6): 1137–1161.

Wir entwickeln kontinuierlich unsere laborativen Möglichkeiten weiter. Derzeit befindet sich ein Autoklave in der Konstruktion, welcher die Messung von Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit von Gesteinsproben unter simultan erhöhtem Druck und Temperatur ermöglicht.

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Dr. Sven Fuchs
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