@phdthesis{Li2023,
  author    = {Li, Zhen},
  title     = {Formation of Sub-Permafrost Methane Hydrate Reproduced by Numerical Modeling},
  doi       = {10.25932/publishup-60330},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-603302},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XII, 109},
  year      = {2023},
  abstract  = {Natural gas hydrates are ice-like crystalline compounds containing water cavities that trap natural gas molecules like methane (CH4), which is a potent greenhouse gas with high energy density. The Mallik site at the Mackenzie Delta in the Canadian Arctic contains a large volume of technically recoverable CH4 hydrate beneath the base of the permafrost. Understanding how the sub-permafrost hydrate is distributed can aid in searching for the ideal locations for deploying CH4 production wells to develop the hydrate as a cleaner alternative to crude oil or coal. Globally, atmospheric warming driving permafrost thaw results in sub-permafrost hydrate dissociation, releasing CH4 into the atmosphere to intensify global warming. It is therefore crucial to evaluate the potential risk of hydrate dissociation due to permafrost degradation. To quantitatively predict hydrate distribution and volume in complex sub-permafrost environments, a numerical framework was developed to simulate sub-permafrost hydrate formation by coupling the equilibrium CH4-hydrate formation approach with a fluid flow and transport simulator (TRANSPORTSE). In addition, integrating the equations of state describing ice melting and forming with TRANSPORTSE enabled this framework to simulate the permafrost evolution during the sub-permafrost hydrate formation. A modified sub-permafrost hydrate formation mechanism for the Mallik site is presented in this study. According to this mechanism, the CH4-rich fluids have been vertically transported since the Late Pleistocene from deep overpressurized zones via geologic fault networks to form the observed hydrate deposits in the Kugmallit-Mackenzie Bay Sequences. The established numerical framework was verified by a benchmark of hydrate formation via dissolved methane. Model calibration was performed based on laboratory data measured during a multi-stage hydrate formation experiment undertaken in the LArge scale Reservoir Simulator (LARS). As the temporal and spatial evolution of simulated and observed hydrate saturation matched well, the LARS model was therefore validated. This laboratory-scale model was then upscaled to a field-scale 2D model generated from a seismic transect across the Mallik site. The simulation confirmed the feasibility of the introduced sub-permafrost hydrate formation mechanism by demonstrating consistency with field observations. The 2D model was extended to the first 3D model of the Mallik site by using well-logs and seismic profiles, to investigate the geologic controls on the spatial hydrate distribution. An assessment of this simulation revealed the hydraulic contribution of each geological element, including relevant fault networks and sedimentary sequences. Based on the simulation results, the observed heterogeneous distribution of sub-permafrost hydrate resulted from the combined factors of the source-gas generation rate, subsurface temperature, and the permeability of geologic elements. Analysis of the results revealed that the Mallik permafrost was heated by 0.8-1.3 °C, induced by the global temperature increase of 0.44 °C and accelerated by Arctic amplification from the early 1970s to the mid-2000s. This study presents a numerical framework that can be applied to study the formation of the permafrost-hydrate system from laboratory to field scales, across timescales ranging from hours to millions of years. Overall, these simulations deepen the knowledge about the dominant factors controlling the spatial hydrate distribution in sub-permafrost environments with heterogeneous geologic elements. The framework can support improving the design of hydrate formation experiments and provide valuable contributions to future industrial hydrate exploration and exploitation activities.},
  language  = {en}
}
@masterthesis{Seyberth2015,
  type      = {Bachelor Thesis},
  author    = {Seyberth, Karl},
  title     = {Test einer neuen Methode zur Synthetisierung hydrathaltiger Sedimentproben und Charakterisierung des Hydrathabitus anhand seismischer Messungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-81247},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {II, 41},
  year      = {2015},
  abstract  = {Methanhydrate sind besonders in Verbindung mit den steigenden Weltmarktpreisen f{\"u}r {\"O}l und Gas in den vergangenen Jahren mehr und mehr in den Fokus der Energiewirtschaft geraten, was zu einer starken Zunahme der angewandten Forschungsprojekte auf diesem Gebiet f{\"u}hrte. Da Methanhydrat nur unter hohem Druck und niedrigen Temperaturen stabil ist, ist die Gewinnung nat{\"u}rlicher Proben f{\"u}r Laboruntersuchungen technisch sehr aufwendig und vor allem teuer. Zur Charakterisierung der Eigenschaften hydratf{\"u}hrender Reservoire ist man h{\"a}ufig auf die Herstellung synthetischer Proben angewiesen. Die Eigenschaften der synthetisierten Proben sind dabei abh{\"a}ngig von der Herstellungsmethode und man ist noch immer auf der Suche nach Verfahren, mit denen sich m{\"o}glichst „naturnahe" Proben mit vertretbarem Aufwand erzeugen lassen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue, relativ schnell durchf{\"u}hrbare Methode getestet, die im Porenraum von Sedimenten schwimmende bzw. gef{\"u}gest{\"u}tzende Hydrate bildet, wie sie in der Natur vorkommen. Gleichzeitig erzeugt sie eine gleichm{\"a}ßige Verteilung des Hydrats {\"u}ber die Probe und bietet gute Kontrolle {\"u}ber den Hydratgehalt. Sie funktioniert wie folgt: Eine mit einer KCl-L{\"o}sung ges{\"a}ttigte Sedimentprobe wird zu einem bestimmten Teil ausgefroren und das {\"u}brige Wasser mit Methan verdr{\"a}ngt. Durch Anlegen eines Methandrucks im Stabilit{\"a}tsbereich wird das Eis zu Methanhydrat umgesetzt. Im Anschluss wird die Probe erneut mit einer KCl-L{\"o}sung ges{\"a}ttigt. Anhand seismischer Messungen konnte best{\"a}tigt werden, dass Hydrat mit dem gew{\"u}nschten Hydrathabitus erzeugt wurde. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die eishaltigen Proben aufgrund {\"a}hnlicher physikalischer Eigenschaften bereits vor der Umsetzung des Eises zu Methanhydrat als N{\"a}herung f{\"u}r Proben mit Porenraumhydrat verwendet werden k{\"o}nnen.},
  language  = {de}
}