924 research outputs found

    Sensor Network Architectures for Monitoring Underwater Pipelines

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    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

    Fractured reservoir discrete feature network technologies. Final report, March 7, 1996 to September 30, 1998

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    Characterisation and modelling of natural fracture networks: geometry, geomechanics and fluid flow

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    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

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    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.

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    Abstract unavailable please refer to PD

    Simulation of injection-induced deformation for a stimulation experiment at the Grimsel underground laboratory

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    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

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    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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