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Stability and Reactivity of Organic Molecules in Geothermal Reservoirs

dc.contributor.advisorSauter, Martin Prof. Dr.de
dc.contributor.authorNottebohm, Martin Breer genanntde
dc.date.accessioned2012-02-22T15:24:06Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:28:50Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:15Zde
dc.date.issued2012-02-22de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B307-2de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2406
dc.description.abstractDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Laboruntersuchungen von Markierungsstoffen (Tracern), welche bei geothermalen Fragestellungen Anwendung finden. Hierbei sollen bestehende analytische Methoden auf geothermale Fluide ausgeweitet werden. Weiterhin soll die Stabilität von als konservativ angesehenen Markierungsstoffen untersucht sowie Stoffe entwickelt werden, welche thermosensitive Eigenschaften aufweisen. Zur Charakterisierung von geothermalen Reservoireigenschaften, welche für die Nutzung des Systems von essentieller Bedeutung sind, stellen Tracertests häufig das Mittel der Wahl dar. Nur hierdurch können Fließwege, Reservoirfluidvolumina, Verweilzeiten und andere Parameter bestimmt werden. Häufig wird dabei die Interpretation des Wiedererhaltes des Tracers aufgrund fehlender Kenntnisse des Verhaltens des Stoffes im Reservoir verfälscht, fehlgeleitet oder gar unmöglich gemacht. Ebenfalls können hierfür fehlerhafte analytische Methoden die Ursache sein. Naphthalinsulfonate sind heutzutage weitverbreitete Tracer bei geothermalen Fragestellungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine analytische Methode entwickelt und validiert, welche in der Lage ist, verschiedene Naphthalinsulfonatisomere im sub-µg/L in hochsalinaren Geothermalfluiden zu quantifizieren. Das Verfahren basiert auf Hochleistungsflüssigkeitschromatographie in Kombination mit Fluoreszenzdetektion und Festphasenextraktion. Neben den als stabil betrachteten Tracern werden zur Zeit von verschiedener Seite Stoffe entwickelt, welche thermosensitive Eigenschaften aufweisen. Dieses soll dazu dienen, die Temperatur innerhalb des Reservoirs abzubilden und einen thermischen Abfall während des Anlagenbetriebes zu erfassen. Bisherige Feldanwendungen scheiterten jedoch im Wesentlichen an der mangelnden Verfügbarkeit geeigneter Stoffe. Hierbei sind ihre kinetischen Eigenschaften, das Transportverhalten im Reservoir sowie eine empfindliche Detektierbarkeit zu berücksichtigen. Innerhalb der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur Entwicklung von Thermotracern zeigte sich, dass die Hydrolysereaktion außerordentlich vielversprechend für geothermale Fragestellungen ist. So ist die Kinetik dieser Reaktion durch verschiedene Struktureigenschaften des hydrolysierenden Esters mindestens um den Faktor 100 beeinflussbar. Ebenfalls sind diese Auswirkungen vorhersagbar. Bei den Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Matrixeigenschaften auf die Kinetik zeigte sich, dass hohe Salinitäten oder reaktive Oberflächen keinen Einfluss besitzen. Ein signifikanter Einfluss ergibt sich jedoch durch den pH-Wert der Lösung. Es konnte ebenfalls festgestellt werden, dass die Reaktion von pH 5 bis 8 ausschließlich basenkatalysiert ist. Der Einfluss des pH-Wertes kann somit innerhalb der kinetischen Gleichungen berücksichtigt werden. Innerhalb der untersuchten Ester ergibt sich durch eine relativ rasche Reaktionsgeschwindigkeit eine Limitierung der Stoffe für den langzeitlichen Hochtemperaturbereich. Für diese Anwendungen sollten daher die hier vorgestellten Ergebnisse auf andere Stoffgruppen von Estern übertragen werden. Als erster Thermotracer wurde ein Naphtholsulfonsäureester synthetisiert, dessen Reaktionsprodukt bereits als konservativer Tracer bei geothermalen Anwendungen findet. Es zeigte sich, das die Erkenntnisse aus den Hydrolyseuntersuchungen auf diesen Stoff übertragbar sind und diese Substanzen somit für die Feldanwendung eine außerordentlich vielversprechende Stoffgruppe darstellen.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleStability and Reactivity of Organic Molecules in Geothermal Reservoirsde
dc.typecumulativeThesisde
dc.title.translatedStabilität und Reaktivität von organischen Molekülen in geothermischen Reservoirende
dc.contributor.refereeSauter, Martin Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-11-14de
dc.subject.dnb550 Geowissenschaftende
dc.description.abstractengThe present work deals with laboratory studies of tracers for geothermal applications. Analytical methods for the detection of molecules being used as non-reactive tracers are presented and investigations of their thermal stability as well. Furthermore, the synthesis of substances is described which can undergo a reaction by hydrolysis. Additionally, these substances are explored for their application as thermosensitive tracers by lab experiments. For the characterization of several geothermal reservoir properties, tracer tests are the method of choice. Only by tracer tests it is possible to track flow paths, to estimate reservoir fluid volumes and fluid dwell times, and various other parameters that are essential for the operation of a geothermal reservoir. But the results gained from tracer tests are often distorted or misguided due to a lack of knowledge of the substance behavior in the reservoir. Also, the analytical methods may be incorrect or not sensitive to the substance. Naphthalene sulfonates are widely used as conservative tracers in geothermal applications. In this work, an analytical method was developed and validated that is able to detect different naphthalene sulfonate isomers from highly saline geothermal brines in the sub-µg/L range. The method bases on high-performance liquid chromatography in conjunction with fluorescence detection and solid phase extraction. Beside conservative tracers, thermally reacting substances are under investigation by several research groups. These are envisaged to map reservoir temperatures and to describe a thermal drawdown during operation of the geothermal plant. Previous field applications using thermosensitive tracers gave only insufficient results. An applicable thermosensitive tracer has to possess well known reaction kinetics and transport behavior in the reservoir, as well as a sensitive detectability in brines. The investigations presented in this work shows that hydrolysis is a promising reaction for geothermal applications. On the example of phenolic esters it is shown that the kinetics of this reaction can be influenced at least by a factor of 100 by varying the structural characteristics of the ester. All these influences are predictable. Matrix effects such as high salinities of 100 g/L NaCl or the presence of powdered rock showed no effect on reaction kinetics. A strong effect on the kinetics is given by the pH of the solvent. It could also be shown that the reaction is completely alkaline catalyzed within the pH range of most geothermal systems. This effect can therefore be included in the reaction equations. However, the reaction is comparatively fast for long-term tracer tests in high temperature regimes. For these applications the findings of this work may be transferred to another class of ester substances. Finally, a hydroxynaphthalene sulfoic ester was synthesized and investigated in lab experiments as a example of a practical thermosensitive tracer for geothermal field applications.de
dc.contributor.coRefereeNoubacteb, Chicgoua Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeLicha, Tobias Dr.de
dc.subject.topicGeosciences and Geographyde
dc.subject.gerTracerde
dc.subject.gerGeothermiede
dc.subject.gerHydrolysede
dc.subject.engTracerde
dc.subject.engGeothermicsde
dc.subject.engHydrolysisde
dc.subject.bk38.59de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3390-9de
dc.identifier.purlwebdoc-3390de
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullVBQ 800: Aquifere {Hydrogeologie}de
dc.identifier.ppn715997203de


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