Abstract:
Reservoirmodelle sind unerlässlich, um das Potential und Risiken bei der Gewinnung geothermischer Energie zu beurteilen. Eine wesentliche Einschränkung zuverlässiger Reservoirmodelle ist jedoch die Verfügbarkeit benötigter Kluftparameter, die oftmals auf allzu einfachen oder auch fehlenden Methoden beruhen oder extrem aufwändige experimentelle Aufbauten benötigen. Um passende Klufteigenschaften zu definieren, ist es daher nötig, die zugrundeliegenden (oftmals gekoppelten) thermischen, hydraulischen, chemischen und mechanischen (THCM) Prozesse zu verstehen und zu quantifizieren, indem man wirkungsvolle, aber anwendungsorientierte Methoden zur Kluftanalyse entwickelt. ... mehrUm diese Erfordernisse anzugehen, werden in dieser Arbeit drei voneinander unabhängige Herangehensweisen vorgestellt:
In Studie 1 wird ein kontaktmechanischer Ansatz basierend auf einer neuartigen, frei zugänglichen Web-Anwendung, die sowohl elastische als auch elastisch-plastische Kontaktdeformation innerhalb der Kluft betrachtet, vorgestellt und anhand von Uniaxialtests an einer kreisrunden Granodiorit-Kluft validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass insbesondere der elastisch-plastische Ansatz eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der experimentellen Normalverschiebung aufweist. Im Gegensatz zu anderen schnellen und leicht anwendbaren Kontaktmodellen, berücksichtigen sowohl das elastische als auch das elastisch-plastische Model eine realitätsnahe Wiedergabe der Kontaktbereiche (< 2 % bei 10 MPa Auflast) und das Auftreten ungleichmäßiger lokaler Vertikalversätze. Obwohl ein genereller Widerstand gegen ausgeprägte nicht-elastische Deformation (sogar bei 10 MPa) zu beobachten ist, was auch durch die neu hergeleitete relative Härte von 0.14 bekräftigt wird, bestätigen die lokalen Kontaktbelastungen die höhere Validität des elastisch-plastischen Kontaktmodels.
In Studie 2 wird eine neuartige Vorgehensweise, basierend auf zerstörungsfreien in situ Scans mittels medizinischer Computertomografie (CT), vorgestellt, die sich als geeignet erweist um den Fluidfluss in weniger rauen Klüften mit kleinen Öffnungsweiten (< 35 μm) annäherungsweise numerisch zu bestimmen. Die Ergebnisse werden anhand von Durchflussexperimenten an einer geklüfteten Sandsteinprobe unter Be- und Entlastungsbedingungen validiert, die zeitgleich zu der CT-Scans durchgeführt wurden. Abweichungen von den experimentellen Durchflussergebnissen sind bedingt durch unvermeidbare Abweichungen während der Kalibrierung der Öffnungsweiten, durch Einflussnahme der Gesteinsmatrix und durch die grobe Auflösung des CT Geräts. Trotz dieser Abweichungen, zeigen die Simulationen ein ausgeprägtes lastabhängiges Fließverhalten („Channeling“) und ein permanentes oder vorübergehendes Schließen einzelner Fließwege, wobei deutlichere Änderungen des Fließregimes unterhalb der Auflösung (0.5 × 0.5 × 1.0 mm³) der CT-Scans zu erwarten sind.
In Studie 3 wird ein Phasenfeld-Model für hydrothermalbedingten Quarzwachstum angewandt, um den Einfluss der entstehenden Fällungs-Geometrien auf die hydraulischen Eigenschaften von Klüften zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass der Fluidfluss in teilweise mineralisierten Klüften deutlich abhängig vom Kristallhabitus der ausgefällten Minerale ist. Für eher gestreckte Kristalle entwickeln sich typischerweise sogenannte „Kristallbrücken“, die ausgeprägte Fließbarrieren bilden und die Bildung von hydraulischen Klufteigenschaften begünstigen, die denen eines porösen Medium ähneln. Auf Basis der Strömungssimulationen kann eine neuartige semi-empirische Gleichung hergeleitet werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften abzuschätzen.
In Rahmen dieser Thesis werden somit drei einfach anwendbare Methoden vorgestellt, welche die Grundlage für weitere Untersuchungen an Klüften darstellen und für verschiedenartige Kluft-Fragestellungen verwendet werden können. Die Web-Anwendung stellt eine schnelle und frei zugängliche Methode dar, die genutzt werden kann, um die druckabhängige Normalverschiebung von Klüften basierend auf herkömmlichen Oberflächenscans zu untersuchen. Der vorgeschlagene zerstörungsfreie Ansatz für medizinische CT-Scans ist sinnvoll, um beispielsweise die hydraulischen Eigenschaften von dicht verschlossenen, chemisch alterierten Klüften abzuschätzen. Die neu hergeleitete Gleichung der dritten Studie liefert eine effizientere Alternativlösung zu herkömmlichen Modellen, die zur Bestimmung der hydraulischen Kluftöffnungsweite entwickelt wurden, und kann genutzt werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften relativ unkompliziert abzuschätzen.
Abstract (englisch):
Reservoir models are essential to assess the potential and risks of geothermal energy production. A significant limitation of reliable reservoir models is the availability of the required fracture parameters, which are often based on simplistic or lacking approaches or require too elaborate experimental setups. In order to define realistic fracture properties it is necessary to understand and quantify the underlying (often coupled) thermal, hydraulic, chemical and mechanical (THCM) processes by developing efficient and practical fracture analysis methods. To address these requirements, three independent approaches are introduced in this thesis:
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In study 1, a novel and free web application-based contact mechanical approach, which considers elastic and elastic-plastic contact deformations within fractures, is introduced and validated for uniaxial laboratory tests on a circular granodiorite fracture. The simulation results show that particularly the elastic-plastic model fits well with experimental normal closure results. In contrast to other fast and easy-to-apply contact models, both the elastic and elastic-plastic models also consider the realistic representation of contact areas (< 2 % at a load of 10 MPa) and heterogeneous local closure. Although there is a general resistance to pronounced non-elastic deformation (even at 10 MPa), which is also confirmed by the newly derived relative hardness value of 0.14 for granitic rocks, local contact stresses confirm the higher validity of the elastic-plastic contact model.
In study 2, a novel approach based on non-destructive, in situ medical X-ray compute tomography (CT) scans is presented, which is appropriate to numerically approximate actual fluid flow in smooth fractures with small apertures (< 35 μm). The results are validated by applying flow through experiments of a fractured sandstone sample under loading/unloading conditions, which are performed simultaneously to the CT scans. Deviations from the experimental fluid flow results are caused by inevitable errors during the aperture calibration, rock matrix effects and resolution-caused limitations. Despite these deviations, flow simulations indicate significant stress-dependent flow channeling and permanent or temporary closure of single channels, whereas more pronounced changes of the flow regime must occur at scales below the CT resolution (0.5 × 0.5 × 1.0 mm³).
In study 3, a phase-field model of hydrothermal quartz growth is applied to investigate the influence of sealing geometries on the hydraulic properties of fractures. It is shown that fluid flow in partially sealed fractures highly depends on the crystal habit of the precipitated minerals. For more elongated (‘needle’) crystal geometries typically crystal bridges evolve, which form distinct flow barriers and facilitate the evolution of hydraulic fracture properties resembling a porous media. Based on the flow simulations a novel semi-empirical equation to estimate hydraulic fracture properties of partially sealed fractures is established.
Within the scope of this thesis, three easy-to-apply approaches are introduced, which are the basis for further fracture research and can be used for different fracture issues. The web application represents a fast and free method, which can be used to study stress-dependent fracture normal closure based on conventional surface scanning methods, even for drill core samples. The proposed non-destructive medical CT scan approach can be useful, for example, to estimate hydraulic properties of tightly-closed, chemically altered fractures. The newly established equation in the third study provides a more effective alternative to common hydraulic aperture models, which can be used to straightforwardly estimate the hydraulic properties of partially sealed fractures.
