Advanced micromechanical and pore structural characterization of organic matter-rich rocks: Toward a better understanding of dual porosity and permeability

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Die Materialcharakterisierung auf Nanoebene gewinnt in vielen geowissenschaftlichen Disziplinen, insbesondere den erd�lbezogenen Fachbereichen, zunehmend an Bedeutung. Eine ma�geblich treibende Kraft f�r die Methodenentwicklung, sowohl im Bereich der hochaufl�senden Bildgebung als auch der mikromechanischen Charakterisierung, ist das notwendige Verst�ndnis von Transporteigenschaften komplexer, feink�rniger Gesteine mit einem hohen Anteil an organischer Substanz (einschlie�lich Kohle). Die resultierenden Erkenntnisse sind von besonderer Bedeutung f�r die unkonventionelle Kohlenwasserstoffgewinnung (z.B. Schiefer�l/-gas, Fl�zgas). Jedoch stellen Untersuchungen auf Nanoebene f�r diese Proben eine besondere Herausforderung dar, da hochaufl�sende Charakterisierungstechniken, die vor allem in den Materialwissenschaften etabliert sind, noch nicht g�nzlich f�r geowissenschaftliche Fragestellungen optimiert wurden. Diese Arbeit zielt darauf ab diese L�cke zu schlie�en indem ein Workflow f�r eine fundierte Charakterisierung im Nanobereich, geeignet f�r Gesteine mit hohem Anteil an organischer Substanz, entwickelt wird. Dar�ber hinaus werden sowohl Erkenntnisse �ber die Wechselwirkung zwischen den nanomechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur, als auch deren geologische Kontrollfaktoren, untersucht. Dazu wurde Nanoindentierung, ein breites Spektrum an hochaufl�senden Bildgebungsverfahren und Gasadsorptionsmethoden zur Untersuchung von i) Kohleproben aus dem Karbon im ukrainischen Donets Becken (0.62 � 1.47 %Rr Vitrinitreflexion) und ii) Kreide-zeitlichen Schiefergesteinen aus dem chinesischen Songliao Becken (1.33 � 2.23 %Rr) eingesetzt. Die Nanoindentierungsstudie der Donets-Kohlen ergab unterschiedliche Einflussfaktoren auf die Materialparameter (H�rte H and reduzierter Elastizit�tsmodul Er) der verschiedenen Mazeralgruppen. Die mechanischen Parameter von Liptinite-Mazeralen scheinen haupts�chlich von transformativen Prozessen, die im Zusammenhang mit der thermischen Reife stehen sowie Ablagerungsbedingungen, beeinflusst zu sein. H und Er von Inertinit-Mazeralen werden haupts�chlich von Pal�owaldbrand-Temperaturen kontrolliert. Im Vergleich dazu, zeigen Vitrinite eine komplexe Beziehung der mechanischen Parameter mit zunehmender Reife. Die weiterf�hrende Studie, basierend auf der Untersuchung mittels hochaufl�sende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), zeigt, dass Er von der Porengr��e abh�ngt da kleinere Poren (? 5 nm) wahrscheinlich eine effizientere Lastverteilung erm�glichen. HRTEM Aufnahmen zeigten weitere nanostrukturelle Heterogenit�ten in Vitrinitpartikeln, wie beispielsweise Dom�nen h�herer Ordnung bei niedriger Reife (0.69 und 0.81 %Rr). CO2 and N2 Adsorptionsmessungen, Raman Spektroskopie und Hochdruck CH4 Sorptionsmessungen deuteten bei ca. 1.10 %Rr auf signifikante strukturelle Ver�nderungen hin. Die mikromechanische Charakterisierung von fein verteilter organischer Substanz innerhalb von Schiefergestein ist im Vergleich zur Kohle aufgrund von Mineralmatrixeffekten und der geringen Gr��e der einzelnen Partikel deutlich erschwert. Organische Partikel in feink�rnigen Schiefergesteinen aus der Shahezi-Formation (Songliao Becken) wurden mikromechanisch mithilfe von Highspeed Nanoindentation Mapping sowie einer korrelativen Bildgebungsstudie hochaufl�send charakterisiert. Durch den korrelativen Einsatz von optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Heliumionen-mikroskopie konnten, erleichtert durch Femtosekundenlaserpr�paration, komplexe Einflussfaktoren auf mechanische Parameter untersucht werden. Dar�ber hinaus wurden die mikromechanischen Rohdaten mithilfe von Unsupervised Machine Learning (k-means clustering) analysiert. Zuk�nftige Charakterisierungs- und mikromechanische Modellierungsstudien werden von den etablierten, schnellen und zuverl�ssigen Workflows profitieren. Insbesondere durch die Probenpr�

Details

Titel in ÜbersetzungFortgeschrittene mikromechanische und porenstrukturelle Charakterisierung organisch-reicher Gesteine
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021