DER PORENRAUM DER SEDIMENTE

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1 MINERALOGIE UND PETROGRAPHIE IN EINZELDARSTELLUNGEN HERAUSGEGEBEN VON W. v. ENGELHARDT UND ). ZEMANN ZWEITER BAND DER PORENRAUM DER SEDIMENTE VON WOLF V. ENGELHARDT DR. PHIL., 0. PROFESSOR DER MINERALOGIE AN DER UNIVERSITÄT TOBINGEN MIT 83 ABBILDUNGEN Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1960

2 Alle Rechte, insbesondere das der Vberaetznng in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrilckllche Genehmigung des Verlages Ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus aufphotomechanlechem Wege (Photokople, Mikrokopie) zu vervielfältigen Springer-Verlag Berlin Beideiberg 1960 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag obg. Berlin Göttingen Beideiberg 1960 Softcoverreprint ofthe bardeover Istedition 1960 ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen,Warenbezelchnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen Im Sinn der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dllrfen BRÜHLSeHE UNIVERSITÄ.TSDRUOKEREI GIESSEN

3 Vorwort Die Petrographie pflegt allein die festen Mineralien zu betrachten, aus denen die Gesteine zusammengesetzt sind, und nur gelegentlich die Flüssigkeiten und Gase zu erwähnen, die sich in ihnen finden. Diese Beschränkung ist für die metamorphen und die meisten magmatischen Gesteine berechtigt, die fast ausschließlich aus festen Mineralien bestehen, so daß die geringen Mengen eingeschlossener beweglicher Phasen - wenn man von einigen Ausnahmen wie blasenreichen Laven absieht - weder für ihren Stoffbestand noch für ihre innere Struktur von wesentlicher Bedeutung sind. Ganz anders verhält es sich aber mit den Sedimentgesteinen. Sie entstehen in der Mehrzahl so, daß sich einzelne feste Mineralteilchen aneinanderlagern, was niemals lückenlos erfolgen kann und daher zu Strukturen mit oft sehr erheblichem Porenraum führt. Auch alle Sedimente, die durch Kristallisation und Ausfällung entstehen, bilden Anlagerungsgefüge, die nicht notwendig porenfrei sind, zumal diese Vorgänge bei geringem Druck an der Erdo herfläche stattfinden. Die Sedimente bestehen daher im Augenblick ihrer Bildung zu einem wesentlichen Teil aus Porenraum, der zunächst mit dem Medium ihres Bildungsortes - Wasser oder Luft- angefüllt ist. Bei den Tonen als den porösesten Sedimenten kann der Porenraum 80 und mehr Prozent des Gesamtvolumens betragen, doch besteht auch bei den weniger porösen Sanden immer noch etwa 40% des Sedimentvolumens aus Hohlräumen. Der Volumanteil des Porenraums, seine Geometrie im einzelnen und die Zusammensetzung der Flüssigkeiten und Gase in ihm sind daher für die meisten Fragen der Sedimentpetrographie von großer Bedeutung. Der Charakter und die systematische Stellung eines Sedimentgesteins wird zwar immer durch die Natur seiner festen Bestandteile bestimmt sein. Alle Prozesse im Sediment aber, insbesondere die nach der Ablagerung einsetzenden Umbildungen zum festen Gestein (Diagenese), können nur verstanden werden, wenn man außer dem festen Rahmen auch die beweglichen Phasen des Porenraums betrachtet. Diese Umbildung erfolgt unter allmählicher Verdichtung der zuerst sehr lockeren Sedimente, wobei sich z. B. der Porenraum der tonigen Gesteine von über 80% auf wenige Prozente verringert. Im Verlaufe dieser Vorgänge, die sich im obersten Teil der Erdrinde abspielen (man kennt heute Beispiele poröser Sedimente aus Tiefen bis gegen 7000 m), müssen große Mengen des Poreninhalts, vornehmlich von Flüssigkeiten bewegt werden. Ihre ursprüngliche Zusammensetzung und die Veränderung ihres Chemismus während dieser Wanderungen werden die diagenetischen Um- und Neubildungen der Mineralsubstanz der Sedimente beeinflussen. Zu den auffallendsten Prozessen während dieser Zeit gehört die räumliche Differenzierung größerer Massen nichtmischbarer Phasen im Porenraum. Es trennen sich Gase von Flüssigkeiten, flüssige Kohlenwasserstoffe von Elektrolytlösungen. Diese verschiedenen Phasen verteilen sich auf die zur Verfügung stehenden Porenräume der Gesteine, wobei nach Maßgabe der Dichten und

4 IV Vorwort Grenzflächeneigenschaften diejenige Ordnung erstrebt wird, die ein Minimum an potentieller Energie darstellt. Es spielt dabei sowohl die makroskopische Geometrie der geologischen Körper (tektonische und sedimentogene StrUkturen) als auch die mikroskopische Geometrie der Porenräume der verschiedenen Gesteine die entscheidende Rolle. Da es für das Vorhandensein nutzbarer Anreicherungen von gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen im tieferen Untergrund kein direktes Indizium gibt, ist man darauf angewiesen, solche Lagerstätten dort zu suchen, wo nach der Natur und der Lagerungsart der Gesteine ihre Bildung möglich, weil energetisch günstig erscheint. Die Erdölindustrie ist daher schon lange an einem genauen Studium des Porenraumes der Sedimente, der in ihm enthaltenen Flüssigkeiten und Gase und deren Bewegungsmöglichkeiten interessiert gewesen, zumal es sich bald herausstellte, daß eine solche Kenntnis nicht nur für das Auffinden neuer Lagerstätten, sondern vor allem auch für die Produktion von Kohlenwasserstoffen aus den gefundenen Lagerstätten von Bedeutung ist. Bei dieser Förderung werden ja durch technische Maßnahmen Fließvorgänge in den Gesteinsporen hervorgerufen, die man um so besser im gewünschten Sinne lenken kann, je vollständiger das Wissen über den Porenraum der betreffenden Gesteine, die Flüssigkeiten und Gase in ihm und die Art ihrer Bewegungen ist. Der Porenraum der Sedimente ist aus diesen Gründen vornehmlich in den Laboratorien der Erdölindustrie und in den ihr nahestehenden Forschungsinstituten untersucht worden. Seit den Jahren nach dem ersten Weltkrieg geschah dies fast ausschließlich in den Vereinigten Staaten. Die Ergebnisse dieser Forschungen liegen dort in einer umfangreichen und schnell sich vermehrenden Literatur vor, die sich in erster Linie an die Spezialisten wendet, die als Geologen und Ingenieure mit der Aufsuchung und Behandlung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten zu tun haben. Der Plan zu dem vorliegenden Versuch einer Darstellung aller Erscheinungen und Probleme des Porenraums der Sedimente ist nicht aus der Meinung entstanden, daß der Stand unseres Wissens heute schon eine abschließende Theorie erlaubt. Die Menge der sich täglich mehrenden Beobachtungen und die komplizierter werdenden Methoden drohen aber dem Praktiker die Übersicht immer mehr zu verdunkeln und dem Außenstehenden den Einblick in ein Gebiet zu verwehren, das jeden angeht, der sich als Geologe, Mineraloge und Petrograph für die Vorgänge in der äußeren Erdrinde interessiert. So soll in den Kapiteln dieses Buches das zum größten Teil im Rahmen angewandter Forschung gesammelte und heute noch' auf vielen Teilgebieten recht unvollständige, ungleichmäßig entwickelte Wissen dargestellt werden, das den Porenraum und seine diagenetische Veränderung, die Fließ- und Diffusionsvorgänge in ihm und die Natur und Eigenschaften der ihn füllenden Phasen betrifft. Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung für Fragen der Petrogenese und Geochemie sollen Erfahrungen, Daten, experimentelle und mathematische Methoden mitgeteilt werden, die vor allem in der Verfolgung praktischer Zwecke gewonnen und entwickelt wurden. Wo Zusammenfassungen versucht werden, wird sich immer wieder die Unvollkommenheit der theoretischen Einsicht kundtun, aus der sich Anregungen für die künftige Forschung ergeben können. Dem Geologen, Petrographen und Ingenieur, der sich praktisch handelnd mit den Lagerstätten der Kohlenwasserstoffe zu

5 Vorwort V beschäftigen hat, mag dieser Versuch, die ihm im einzelnen wohlbekannten Methoden und Erkenntnisse in einen größeren Zusammenhang zu stellen, von Vorteil sein, da allein die richtige Einsicht in den theoretischen Zusammenhang die unfruchtbare Spezialisierung vermeidet und den technischen Fortschritt verbürgt. Die vorliegende Schrift entstand aus meiner Tätigkeit als Leiter eines geologischen und lagerstättenkundliehen Laboratoriums der Gewerkschaft Elwerath, Erdölwerke Hannover. Ich danke der Direktion der Elwerath und insbesondere Herrn Direktor Dr. A. RoLL, dem Leiter der Geologischen Abteilung, für alle großzügige Förderung wissenschaftlicher Arbeiten und für die Möglichkeit, die während dieser Jahre gewonnenen Erfahrungen hier zu verwenden. Ich danke besonders meinen Mitarbeitern in Hannover, den Herren Dr. H. FücHTBAUER, Dr. W. TUNN, Dr. D. MARsAL und Dr. G. MIESSNER, die mit Beobachtungen in Feld und Laboratorium, mit theoretischen Erwägungen und durch zahlreiche Gespräche an der folgenden Darstellung einen größeren Anteil haben, als ich es im einzelnen ausdrücklich nachzuweisen vermag. Herrn Dozent Dr. S. HAUSSÜHL, Tübingen, danke ich für die sorgfältige Durchsicht des Manuskripts. Tübingen, Dezember 1959 Mineralogisches Institut der Universität WoLF v. ENGELHARnT

6 Inhaltsverzeichnis A. Die Porosität Begriff und Messung der Porosität Die Porosität der sandigen Sedimente 3 Sandige und tonige Sedimente... 3 Modellbetrachtungen Natürliche Sande Die diagenetische Reduktion der Porosität durch mechanische Prozesse 16 Die diagenetische Reduktion der Porosität durch chemische Prozesse Die Porosität der tonigen Sedimente Die primäre Porosität der Tone Die diagenetische Reduktion der Porosität durch mechanische Prozesse. 35 Chemische Vorgänge im Porenraum Die Porosität der carbonatischen Sedimente 50 Allgemeines Die primäre Porosität Die diagenetische Veränderung der Porosität 53 B. Die Fließvorgänge im Porenraum Allgemeines Die Darcy-Gleichung für den homogenen Fluß in linearen Systemen Die Grenzen der Gültigkeit der Darcy-Gleichung 64 Trägheitskräfte und Reynoldszahl Gleitung und Knudsen-Fluß Die Flüssigkeitsströmung in sehr feinkörnigen Gesteinen Der homogene Fluß im Raum Die Feldgleichungen für den Fluß durch isotrope Gesteinskörper 71 Die Richtungsabhängigkeit der Permeabilität. 77 Permeabilität und Struktur des Porenraums Heterogene Fließvorgänge und Gleichgewichte.. 92 Allgemeines Das Fließen nicht mischbarer Phasen im Porenraum. 93 Die Gleichgewichte nicht mischbarer Phasen im Porenraum. 114 Das Verhalten mischbarer Phasen im Porenraum Die Permeabilität der Gesteine. 125 Die Messung der Permeabilität 125 Zahlenwerte der Permeabilität. 129 C. Die Diffusion im Porenraum Allgemeines Die Diffusion in grobporigen Gesteinen. 136

7 Inhaltsverzeichnis VII 3. Diffusion und Adsorption. Gase... Flüssigkeiten.... D. Der Inhalt dll8 Porenraum8. 1. Salzlösungen..... Allgemeines Die chemische Zusammensetzung Physikalische Eigenschaften.. Der Ursprung der Salzlösungen. 2. Erdöl und Erdgas Die chemische Zusammensetzung der Erdöle Die chemische Zusammensetzung der Erdgase. Phasengleichgewichte Physikalische Eigenschaften der Erdöle Physikalische Eigenschaften der Erdgase Literaturverzeichnis. Namenregister. Sachregister