Schwerpunkte

Hydraulic fracturing

“Hydraulic fracturing“ (kurz “Fracking“ genannt) wird seit 70 Jahren in konventionellen Öl- und Gaslagerstätten zur Steigerung des Entölungsgrades durchgeführt. Der Öffentlichkeit bekannt wurde diese Methode erst durch den seit kurzem erfolgten massiven Einsatz in Schieferlagerstätten. Dabei wird eine wässrige Lösung von Zusatzmitteln („Frac-Fluid“) mit hohem Druck über das Bohrloch in das Gestein gepumpt, um Risse in der zu stimulierenden Schieferformation zu erzeugen. Diese erhöhen die Permeabilität und ermöglichen somit das Ausfördern von eingeschlossenem Öl und Gas. Weitere Informationen zum Fracking-Prozess und den verwendeten Chemikalien finden Sie auf folgendem Video.



Das Frac-Fluid muss dabei eine ausreichend hohe Viskosität aufweisen, um das Stützmittel (meist Sand) in die erzeugten Risse zu transportieren. Dadurch wird das Wiederverschließen der Risse bei Beendigung des Einpressvorgangs verhindert.

In der Regel enthalten Frac-Fluide als Verdickungsmittel das Polysaccharid Guar Gum, welches aus den Samen der Guarbohne Cyamopsis tetragonolobus gewonnen wird. Zur Erhöhung der Viskositätsausbeute wird Guar Gum noch mittels Titan- oder Zirkoniumkomplexen vernetzt.

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Mechanismus dieser Vernetzung. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzung mittels Titan- und Zirkoniumkomplexen auf ihrer Hydrolyse und Kondensation zu MO2-Nanopartikeln beruht. Die OH-Funktionalitäten auf der Oberfläche der MO2-Nanopartikel wechselwirken mit dem Polysaccharid über Wasserstoffbrückenbindungen. Dieser entropiegetriebene Prozess führt zur Ausbildung eines 3D-Netzwerkes, welches die Viskosität einer Guar Gum-Lösung um das bis zu Hundertfache ansteigen lässt. In weiteren Experimenten wurde der Einfluss des Metallcharakters in den MO2-Oxiden und der Größe der Nanopartikel auf die Vernetzung untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Grad der Vernetzung mit dem elektropositiven Charakter des Metalls (Ti > Sn >> Si) sowie mit abnehmender Größe zunimmt.

Abb. 1: Mechanismus der Vernetzung von Guar Gum mit MO2-Nanopartikeln.