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Sensor Network Architectures for Monitoring Underwater Pipelines
This paper develops and compares different sensor network architecture designs that can be used for monitoring underwater pipeline infrastructures. These architectures are underwater wired sensor networks, underwater acoustic wireless sensor networks, RF (Radio Frequency) wireless sensor networks, integrated wired/acoustic wireless sensor networks, and integrated wired/RF wireless sensor networks. The paper also discusses the reliability challenges and enhancement approaches for these network architectures. The reliability evaluation, characteristics, advantages, and disadvantages among these architectures are discussed and compared. Three reliability factors are used for the discussion and comparison: the network connectivity, the continuity of power supply for the network, and the physical network security. In addition, the paper also develops and evaluates a hierarchical sensor network framework for underwater pipeline monitoring
Characterisation and modelling of natural fracture networks: geometry, geomechanics and fluid flow
Natural fractures are ubiquitous in crustal rocks and often dominate the bulk properties of geological formations. The development of numerical tools to model the geometry, geomechanics and fluid flow behaviour of natural fracture networks is a challenging issue which is relevant to many rock engineering applications. The thesis first presents a study of the statistics and tectonism of a multiscale fracture system in limestone, from which the complexity of natural fractures is illustrated with respect to hierarchical topologies and underlying mechanisms. To simulate the geomechanical behaviour of rock masses embedded with natural fractures, the finite-discrete element method (FEMDEM) is integrated with a joint constitutive model (JCM) to solve the solid mechanics problems of such intricate discontinuity systems explicitly represented by discrete fracture network (DFN) models. This computational formulation can calculate the stress/strain fields of the rock matrix, capture the mechanical interactions of discrete rock blocks, characterise the non-linear deformation of rough fractures and mimic the propagation of new cracks driven by stress concentrations. The developed simulation tool is used to derive the aperture distribution of various fracture networks under different geomechanical conditions, based on which the stress-dependent fluid flow is further analysed. A novel upscaling approach to fracture network models is developed to evaluate the scaling of the equivalent permeability of fractured rocks under in-situ stresses. The combined JCM-FEMDEM model is further applied to simulate the progressive rock mass failure around an underground excavation in a crystalline rock with pre-existing discontinuities. The scope of this thesis covers the scenarios of both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) fracture networks with pre-existing natural fractures and stress-induced new cracks. The research findings demonstrate the importance of integrating explicit DFN representations and conducting geomechanical computations for more meaningful assessments of the hydromechanical behaviour of naturally fractured rocks.Open Acces
Understanding cytoskeletal avalanches using mechanical stability analysis
Eukaryotic cells are mechanically supported by a polymer network called the
cytoskeleton, which consumes chemical energy to dynamically remodel its
structure. Recent experiments in vivo have revealed that this remodeling
occasionally happens through anomalously large displacements, reminiscent of
earthquakes or avalanches. These cytoskeletal avalanches might indicate that
the cytoskeleton's structural response to a changing cellular environment is
highly sensitive, and they are therefore of significant biological interest.
However, the physics underlying "cytoquakes" is poorly understood. Here, we use
agent-based simulations of cytoskeletal self-organization to study fluctuations
in the network's mechanical energy. We robustly observe non-Gaussian statistics
and asymmetrically large rates of energy release compared to accumulation in a
minimal cytoskeletal model. The large events of energy release are found to
correlate with large, collective displacements of the cytoskeletal filaments.
We also find that the changes in the localization of tension and the
projections of the network motion onto the vibrational normal modes are
asymmetrically distributed for energy release and accumulation. These results
imply an avalanche-like process of slow energy storage punctuated by fast,
large events of energy release involving a collective network rearrangement. We
further show that mechanical instability precedes cytoquake occurrence through
a machine learning model that dynamically forecasts cytoquakes using the
vibrational spectrum as input. Our results provide the first connection between
the cytoquake phenomenon and the network's mechanical energy and can help guide
future investigations of the cytoskeleton's structural susceptibility.Comment: 35 pages, 18 figure
Quantification of flow impairment in faulted sandstone reservoirs.
Abstract unavailable please refer to PD
Simulation of injection-induced deformation for a stimulation experiment at the Grimsel underground laboratory
Numerical models have increasingly become important tools to complement planning, testing, and implementation of technologies and strategies for geothermal reservoir projects in basement and crystalline igneous rock. Access to cost-effective and high-capacity computational resources can give valuable insight into governing mechanisms of stimulation experiments in fractured porous rock, which are often prohibitively expensive or otherwise infeasible to perform repeatedly in-situ in sufficiently comparable initial conditions. These experiments aim to reactivate existing faults or fractures by shear dilation, increasing the fluid circulation. Shear dilation refers to the process of volumetric expansion of a fracture as its rough surfaces try to dislocate relative to each other as shear stresses act on the fracture. The reactivation process is characterized by coupled interactions between high-pressure injection and flow through the fracture network, and rock deformation due to hydromechanical stress transfer. Uncovering these connections can be challenging, even for mesoscale subsurface experiments with access to the rock volume through tunnels and boreholes. Physics-based modeling constrained by in-situ data has the potential to complement the analysis of experimental results. This thesis investigates modeling of a mesoscale hydraulic shearing experiment at the Grimsel Test Site, Switzerland. The stimulation experiment targets one of five intersecting ductile or brittle-ductile shear zones in a low-permeable crystalline rock with a high-pressure injection scheme. We present the first simulations, constrained by in-situ data, that fully couple isothermal fluid flow and poroelastic rock deformation in the crystalline rock, with flow, deformation, and slip-induced dilation in the shear zones. A mixed-dimensional discrete fracture matrix model explicitly represents shear zones and shear zone intersections as lower-dimensional subdomains in the intact rock. Frictional contact mechanics is a non-linear process that governs slip on the shear zone surfaces. This results in a non-linear system of equations that cannot be solved with traditional Newton methods. Instead, a semi-smooth Newton method is applied to iteratively converge towards a solution. The simulations captured transmissivity enhancement within one order of magnitude of observations. Additionally, slip-induced poroelastic effects were revealed. We also investigated the effects of intact rock permeability and shear zone size. A higher intact rock permeability led to greater leakage from the target shear zone into the intact rock compared to the case with a lower intact rock permeability, reducing the extent of the pressure front within the shear zone. In simulations with larger shear zones, there was a faster pressure decline in the target shear zone after shut-in due to more volume for fluid storage and a larger area for leakage into the intact rock, while smaller shear zones preserved a higher pressure for considerably longer time. The results show the applicability of numerical models to complement in-situ stimulation experiments. Finally, we comment on extensions related to two-phase flow, gravitational effects, and anisotropic elastic parameters.Masteroppgave i anvendt og beregningsorientert matematikkMAB399MAMN-MA
Flow and transport in fractured geothermal reservoirs on different scales: Linking experiments and numerical models
Die Erdwärme stellt eine wichtige erneuerbare Energiequelle der Zukunft dar,
um den Grundbedarf der Menschen an Wärme und Strom zu decken und die
Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle zu verringern.
Die Internationale Energiebehörde schätzt, dass bis zum Jahr 2050 3,5% der
weltweiten Energieversorgung durch Geothermie erfolgen können. Die Vorteile
der Geothermie liegen dabei in der guten bedarfsabhängigen Regulierbarkeit
sowie der uneingeschränkten weltweiten Verfügbarkeit bei gleichzeitig geringem
Flächenbedarf. Darüber hinaus ist die Geothermie als eine der wenigen
erneuerbaren Energien vollständig grundlastfähig und damit unabhängig von
stark wechselnden Umwelteinflüssen, wie Windstärke oder Sonneneinstrahlung.
Die größte Herausforderung bei der Geothermie liegt in der Erschließung
von Niederenthalpie-Lagerstätten, die in Tiefen von einigen Kilometern liegen.
Eine Möglichkeit hierzu stellt die Technologie des Enhanced Geothermal
Systems (EGS) dar, die geringdurchlässige Gesteinsschichten eines Reservoirs
wirtschaftlich nutzbar macht. Bei EGS werden durch hydraulische Stimulation
bestehende natürliche Kluftsysteme erweitert und neue Klüfte geschaffen und so
ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem geklüfteten Reservoirgestein und
zirkulierenden Fluiden ermöglicht. Bisher gibt es allerdings nur wenige Pilotanlagen,
wie z.B. in Soultz-sous-Forêts, Frankreich. Der Nachteil dieser Technologie
ist, dass die so entstandenen Klüfte nur einen sehr kleinen Teil des Reservoirvolumens
darstellen und sich alle an der Fluidzirkulation beteiligten natürlichen
und induzierten Prozesse auf engstem Raum abspielen. Das grundlegende Verständnis
der hochlokalisierten physikalischen Prozesse und Wechselwirkungen
stellt somit den Schlüsselfaktor für einen erfolgreichen, umweltverträglichen
und sicheren Betrieb von EGS dar.
Ein besonderes Augenmerk muss auf die gegenseitigen Wechselwirkungen
zwischen der Kluft und dem zirkulierenden Fluid sowie dem damit verbundenen
Transport von Wärme und gelösten Stoffen gelegt werden. Die Kluftöffnung
wird oft vereinfacht als der Abstand zwischen zwei parallelen Platten dargestellt.
In Wirklichkeit bestehen die Verbindungen zwischen zwei Bohrungen jedoch
aus einem kleinräumigen Netzwerk einzelner Klüfte, die wiederum ein stark
veränderliches inneres Porenvolumen aufweisen.
Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Entstehung
und geometrischen Beschaffenheit von bevorzugten Fluidwegsamkeiten in geklüfteten
Reservoiren sowie der damit verbundenen Transportprozesse bei. Das
übergeordnete Ziel der einzelnen Studien ist eine Verknüpfung experimenteller
Untersuchungen mit numerischen Modellen, um die relevanten, teilweise
skalenabhängigen physikalischen Prozesse in Klüften zu identifizieren und
quantifizieren.
In den ersten beiden Studien (Kapitel 4 und 5) werden eine Vielzahl von stochastisch
einzigartigen granitähnlichen Kluftgeometrien erstellt. Anschließend
werden numerische Modelle entwickelt, um die präferentiellen Fluidpfade und
deren Eigenschaften im Klufhohlraum unter geothermie-typischen Strömungsbedingungen
und unter Verwendung der komplexen Navier-Stokes-Gleichungen
zu quantifizieren.
Das Ziel der ersten Studie ist die Quantifizierung von räumlichen Unterschieden
zwischen den dreidimensionalen und den vereinfachten zweidimensionalen
Kluftmodellen. Ein Vergleich zwischen äquivalenten Modellierungen mittels der
Navier-Stokes-Gleichungen und dem lokalen kubischen Gesetz erlaubt eine Vorhersage
über die Gültigkeit dieser Vereinfachungen. In Abhängigkeit von Fließund
Scherrichtung sowie dem angelegten Druckgradienten bilden sich in allen
Klüften Kanäle aus, die einen großen Teil des Volumenstroms umfassen, während
im Rest der Kluft nur geringe Anteile an Fluidbewegung zu beobachten sind.
Innerhalb dieser Kanäle zeigen beide Fließgesetze eine gute Übereinstimmung
sowohl für rein laminare als auch turbulente Strömungen (mit Reynolds-Zahlen
deutlich über 1). Außerhalb von Kanälen ergibt sich unabhängig vom Fließregime
für die zweidimensionale Vereinfachung eine deutliche Überschätzung
des zu erwartenden Volumenstroms. In der zweiten Studie werden die einzelnen
Kanäle innerhalb der dreidimensionalen Kluft hinsichtlich ihrer Geometrie
sowie Transporteigenschaften quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen eine starke
Anisotropie hinsichtlich der Fließ- und Scherrichtung. Obwohl eine senkrechte
Ausrichtung von Strömung und Scherung zu einem deutlich verbesserten
Durchfluss führt, haben die gut ausgebildeten und geraden Kanäle nur eine begrenzte
Kontaktfläche mit dem umgebenden Gestein und behindern somit einen
effizienten Wärmeaustausch. Anders ist dies bei einer parallelen Ausrichtung
von Scherung und Strömung. In diesem Fall sind die Kanäle deutlich weniger
ausgeprägt und haben zudem einen stark verlängerten absoluten Fließweg und
damit verbundene höhere Kontaktfläche.
Die dritte Studie (Kapitel 6) umfasst die Verknüpfung von Triaxialexperimenten,
durchgeführt an zwei Sandsteinenderivaten mit steigenden Temperaturund
Druckbedingungen, mit numerischen Modellen. Ziel ist eine Vorhersage
der hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften eines potentiellen
Reservoirgesteins. Die Ergebnisse zeigen eine poroelastische Kompaktion des
Gesteins sowie anschließende nichtlineare Deformation, welche beide mit numerischen
Modellen vorhergesagt werden können. Das Drucker-Prager-Kriterium
ermöglicht die Bewertung der kritischen Scherspannung unter Berücksichtigung
der drei Hauptspannungen. Die Studie zeigt, dass kleinstskalige Veränderungen,
wie die mineralogische Zusammensetzung, zwar die Materialeigenschaften des
Gesteins beeinflussen, numerische und analytische Modelle dessen Verhalten
dennoch beschreiben können.
In der vierten und fünften Studie (Kapitel 7 und 8) werden die kleinskalig gewonnen
Erkenntnisse sowie weiterführende Felduntersuchungen dazu genutzt,
um ein Modell des großräumigen Strömungsregimes im geklüfteten Reservoir
von Soultz-sous-Forêts zu entwickeln. In der vierten Studie wird ein Strukturmodell
des Soultz-Reservoirs entwickelt und das Strömungsregime entlang
von Klüften zwischen den einzelnen Bohrungen mittels numerischer Modelle
bestimmt. Durch die Verknüpfung mit den experimentellen Daten mehrerer
Zirkulations- sowie Tracerversuche kann das Strömungsregime in bohrlochfernen
Bereichen des Reservoirs quantifiziert werden. Darüber hinaus kann eine
geologische Struktur identifiziert werden, die die Bohrungen GPK3 und GPK4
zwar hydraulisch separiert, allerdings störungsparallel eine Anbindung an das
Fließregime des Oberrheingrabens herstellt. In der fünften Studie wird auf
Grundlage des zuvor entwickelten hydraulischen Modells die Sensitivität der
Produktionstemperatur hinsichtlich verschiedener operativer Rahmenbedingungen
(Injektionstemperatur und Fließraten) untersucht
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