Prozessbeobachtung von Vergütungsmaßnahmen im Salzgestein mittels Positronen Emissions Tomographie (GeoPET)

Durchflussexperimente mit Bohrkernsäulen in Kombination mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) erlauben die Charakterisierung und Beobachtung von Transporteigenschaften radioaktiv markierter Substanzen innerhalb der Säule. Unter Verwendung der Methode der PET wird das Fließverhalten zweier radioaktiv markierter Lösungen, Natron-Wasserglas (NWG) und gesättigte NaCl-Lösung (NaClges), in einem Kalisalzbohrkern (KSB) visualisiert. Ziel der Injektion von NWG ist es, die innere Struktur des KSB abzudichten bzw. zu vergüten. Über eine im Anschluss an die NWG-Injektion durchgeführte Injektion von NaClges wird die Güte der Abdichtung überprüft. Der Reaktionsmechanismus von NWG im salinarem Milieu wurde mittels Voruntersuchungen in Form von Batch- und Säulenexperimenten untersucht. Das Ergebnis dieser Voruntersuchung zeigte, dass die Reaktion von NWG in NaClges, Salzgrus- und Kochsalzschüttung schnell und nahezu instantan verläuft. Die Hauptuntersuchung, d.h. die Einspritz- und Durchflussexperimente der beiden mit 18F[KF] radioaktiv markierten Injektionslösungen durch den KSB, wurde in den PET-Aufnahmen, in Form von Zeitserien visualisiert. Die Hauptuntersuchung wurde in 5 Teilschritte untergliedert, wobei NaClges im ersten, dritten und fünften Teilschritt injiziert wurde. Injektion von NWG erfolgte im zweiten und im vierten Teilschritt. Eine hochauflösende Computertomographie (µCT) des KSB wurde den PET-Experimenten vorangestellt. Die Aufnahmen der µCT wurden dann mit den Aufnahmen der PET-Experimente verglichen. Die PET-Aufnahmen zeigen im Vergleich mit denen der µCT, bei der ersten Injektion von NaClges des Hauptexperiments einen signifikanten Strömungskanal am Rand des KSB sowie kleinere Strömungswege im zentralen Bereich der Kernstruktur. Nach erfolgten Injektionen von NWG und erneuten Injektionen von NaClges zeigte sich ein stark rückläufiger Randeinstrom und ein stark ausgeprägter zentraler Fluss im Zentralbereich des KSB. Das NWG drang während der Injektionen nur wenige Millimeter in den KSB ein, führt jedoch zu einer signifikanten Permeabilitätsreduktion. Das Verfahren der PET war für die Studie zur Bewertung von Vergütungsmaßnahmen mittels NWG sehr gut anwendbar und konnte das Fließverhalten beider Injektionslösungen im KSB in geeigneter Weise darstellen.

Flowthrough experiments with core columns in combination with positron emission tomography (PET) allow the characterization and monitoring of transport properties of radioactively labeled substances within these columns. By using the method of PET, the flow behavior of two radiolabelled solutions, sodium waterglass (NWG) and saturated sodium chloride solution (NaClges), is visualized in a potash salt drill core (KSB). The aim of the injection of NWG is to seal the interior structure of the KSB. After the injection of NWG an injection of NaClges is performed to verify the seal. The reaction mechanism of the NWG in salty milieu was examined by preliminary tests in the form of batch and column experiments. The reaction mechanism of the NWG in salty milieu was examined by preliminary tests in the form of batch and column experiments. The results of this preliminary study showed that the reaction of NWG in NaClges, in crushed salt rock and crystalline NaCl is rapid and almost instantaneous. The main experiment, the injection and flow experiments of the two 18F[KF] radiolabeled injection solutions in the KSB was visualized in PET images, in the form of time series. The main study was divided into 5 steps, NaClges was injected in the first, the third and the fifth sub-step. The injection of NWG was in the second and the fourth sub-step. Before the PET experiments, a high-resolution computed tomography (μCT) of KSB was carried out. The images of the μCT were compared with the recordings of the PET experiment. In the first injection of NaClges the μCT images in comparison with the PET images of the main experiment showed a significant flow channel at the superficial area of the KSB and smaller flow paths in the central region of the core structure. After the injections of NWG and renewed performed injections of NaClges the PET-images showed a sharp decline of the fluid flow in the superficial area and a very pronounced central flow in the central region of the KSB. The penetration depth of the NWG during the injections was only a few millimeters into the KSB, however it leads to a significant permeability reduction. The process of the PET was very well applicable for the study to evaluate the sealing methods with NWG and could represent the flow behavior of both injection solutions in the KSB appropriately.