Stress-induced permeability evolution in coal: Laboratory testing and numerical simulations

Mining operations produce a multiscale network of fractures in the coal seams. Permeability evolution in rocks is important for coal bed methane (CBM) and shale gas exploitation as well as for greenhouse gas storage. Therefore, this work presents laboratory tests and a coupled model using PFC3D and FLAC3D to simulate the stress induced permeability evolution in coal samples. Basic mechanical properties are determined via lab testing. The spatial distributions of different components inside the reconstructed samples produce a significant heterogeneity based on CT technique. A newly developed experimental system is employed to perform 3-dimensional loading and to measure the flow rate simultaneously. The evolution process is described by 5 distinct phases in terms of permeability and deformation. Triaxial tests are simulated with PFC3D using a novel flexible wall boundary method. Gas seepage simulations are performed with FLAC3D. Relations between hydraulic properties and fracture data are established. Permeability and volumetric strain show good nonlinear exponential relation after a newly introduced expansion point. Piecewise relations fit the whole process, the expansion point can be treated as critical point. The structural characteristics of the samples influence this relation before and after the expansion point significantly

3D-modelling of microfracture networks associated with faulting in the crystalline Wiborg rapakivi granite

The main purpose of this MSc thesis is to study the 3D geometry of secondary microfracture associated with faults by using grinding the tomography method. Information on the 3D geometry of microfractures can be used, for example, for predicting the hydraulic conductivity of rocks and for more accurate interpretation of generation mechanisms and kinematics of faults. A 3D model of a microfracture network of one oriented rock sample was constructed from data collected with grinding tomography methods. The interpretations made on the 3D model were compared with the field measurements and GIS fracture trace interpretations based on 2D orthophotography data collected with a drone and a digital SLR camera. The second purpose of this thesis was to compare these two scales of 2D fracture trace datasets and find out how the change of observation scale from meters to centimeters affects the 2D topology and orientation distribution of the fracture networks. The study area is located on the Island of Orrengrund, Loviisa, SW Finland. The fault studied in the thesis is a sinistral strike-slip fault with a vertical dip, and a N-S trend. In the grinding tomography method used in this thesis, a cylindrical 50*50*50 mm sample of rock is glued on a glass plate and grinded in slices with a 3D-grinder, so that after each slice the machine takes an image of the surface of the sample. When the images are combined by knowing the vertical position of each image, interpretations can be made on the observed fractures, and a 3D model can be constructed. In this thesis, a new GRN16 3D grinder of the University of Turku geology section was used. Grinding tomography images of the oriented rock sample were georeferenced on the orthophotos with QGIS software, so that the orientation data obtained from the 3D model of microfracture network was comparable with 2D fracture trace data and field measurements. The results of the thesis showed that the 3D model of microfracture network constructed using grinding tomography has almost perfect correlation with the orientation distribution and crosscut relationships of field measurements. The study also revealed that the new 3D grinder of the University of Turku geology Section solves numerous problems regarding the use of the grinding tomography method in geosciences. In addition, topological differences were observed between the two different-scale 2D fracture trace datasets, reflecting that the topological properties of the fault’s fracture systems could be scale-dependent

Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst: Precursor Information for Rock Failure

Load/unload response ratio predicting of rockburst; Three-dimensional reconstruction of fissured rock; Nonlinear dynamics evolution pattern of rock cracks; Bayesian model for predicting rockburs

Coupled hydraulic-mechanical-chemical processes in porous and fractured rocks

Gekoppelte hydraulische, mechanische und chemische Prozesse sind bei zahlreichen Anwendungen im Untergrund zu berücksichtigen und entscheidend für die Analyse des Potenzials, der Sicherheit und Risiken sowie der zukünftigen Entwicklung eines Geosystems. Einige solcher Untergrundnutzungen wie die Endlagerung radioaktiver Abfälle, die Speicherung von Energieträgern oder die Geothermie haben darüber hinaus einen hohen Stellenwert bei der Energiewende im Rahmen der weltweiten Klimaschutzaktivitäten. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung von methodisch-analytischen Ansätzen und Werkzeugen, welche zur Charakterisierung von gekoppelten Prozessen in porösen und geklüfteten Gesteinen herangezogen werden können. Durch Betrachtung zweier unterschiedlicher Lithologien sowie Beobachtungsmaßstäben vom µm- bis in den m-Bereich trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis gekoppelter Prozesse in Reservoir- und Wirtsgesteinen bei. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit hydraulisch-mechanischen (HM) Prozessen und Eigenschaften in geklüfteten Gesteinen. Klüfte stellen wichtige Fließpfade im Gestein dar, sind jedoch auch hochsensibel gegenüber mechanischen Einflüssen. In der ersten Studie wird ein systematischer Methodenvergleich für eine nicht-invasive Quantifizierung von hydraulischen Öffnungsweiten präsentiert. Drei verschiedene Messinstrumente, ein tragbarer Luftpermeameter, eine Mikroskopkamera und ein 3D-Laserscanner, werden an einer natürlichen Einzelkluft in einem bekannten deutschen Reservoiranalogon (Flechtinger Sandstein) angewandt und bewertet. Dieses Fallbeispiel zeigt, dass der Luftpermeameter die robustesten Ergebnisse liefert, die größte Eindringtiefe besitzt und erhebliche Vorteile in Bezug auf Mobilität, Zeitaufwand und Datenauswertung bietet. Bei den Ansätzen zur optischen Kluftcharakterisierung erfolgt die Bestimmung der hydraulischen Öffnungsweite indirekt mittels verschiedener Modellannahmen auf Basis der mechanischen Öffnungsweite und der Kluftrauigkeit. Dabei ergeben sich Abweichungen von bis zu 27 % (Mikroskopkamera) und bis zu 260 % (3D-Laserscanner) verglichen mit den Ergebnissen des Luftpermeameters. Aufbauend auf der Einzelkluftanalyse wird die präsentierte Methodik auf den Feldmaßstab transferiert sowie für die Anwendung an einer Wirtsgesteinsformation für die nukleare Endlagerung optimiert. In der zweiten Studie wird eine HM Charakterisierung einer Auflockerungszone im Opalinuston des Felslabors Mont Terri in der Schweiz vorgenommen. Die Analyse des diskreten Kluftnetzwerks in der untersuchten EZ-B Nische, bestehend aus tektonischen und künstlichen Diskontinuitäten, zeigt, dass die offenliegende Auflockerungszone durch hydraulische Öffnungsweiten von bis zu 112 µm gekennzeichnet ist. Durch fortschreitende Austrocknung der Tunnelwände über einen Zeitraum von etwa 15 Jahren wurden Selbstheilungsprozesse größtenteils unterbunden. Auch die mithilfe von Nadelpenetrometertests vor Ort ermittelten physikalisch-mechanischen Gesteinsparameter verdeutlichen die Sensitivität des Opalinustons gegenüber der Tunnelbelüftung und bilden eine negative Korrelation von Gesteinsfestigkeit bzw. -steifigkeit und Wassergehalt aufgrund eines ausgeprägten hydromechanischen Kopplungsverhaltens ab. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf hydraulisch-chemische (HC) Prozesse im porösen Medium und adressiert den reaktiven Transport in einem Reservoirgestein. Insbesondere durch Lösungs- oder Fällungsreaktionen hervorgerufene Porositäts- und Permeabilitätsänderungen können die Reservoireigenschaften signifikant verändern. Die dritte Studie untersucht die Auflösung von Calcit-Zement im Flechtinger Sandstein sowie die Übertragbarkeit der experimentellen Calcitlösungsraten von der µm-mm-Skala (Mineraloberfläche) auf die cm-Skala (Kernproben). Anhand von Durchflussexperimenten an vier Sandsteinkernen wird die Bandbreite der Lösungsraten auf der cm-Skala für unterschiedliche Reaktionszeiträume sowie variierende hydraulische Randbedingungen ermittelt. Dem gegenübergestellt werden zeitlich und räumlich aufgelöste Calcitlösungsraten auf der µm-mm-Skala aus Oberflächenanalysen mittels vertikal scannender Interferometrie. Auf Grundlage segmentierter Röntgen-Mikrocomputertomografie Scans der Kernproben wird ein geometrischer Ansatz etabliert, um die fluidzugängliche Oberfläche des heterogen verteilten Calcitzements im niedrigpermeablen und komplexen Sandstein abzuschätzen. Auf Grundlage dieses eingeführten Oberflächenparameters wird die Rateninformation der µm-mm-Skala auf die Kernskala übertragen, wobei die Abweichungen zwischen den aufskalierten und den gemessenen Lösungsraten für alle untersuchten Proben weniger als eine Größenordnung betragen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Messmethoden und Herangehensweisen identifiziert, entwickelt, optimiert und validiert, die zur Beschreibung und Interpretation von gekoppelten hydraulisch-mechanisch-chemischen Prozessen und zur Bestimmung damit zusammenhängender Schlüsselparameter in geklüfteten und porösen Gesteinen genutzt werden können. Der Untersuchungsansatz und die erzielten Ergebnisse bilden daher eine wertvolle Grundlage für die Vorhersage des Verhaltens natürlicher Systeme auf höheren Längen- und Zeitskalen

Correlative multi-scale imaging of shales: A review and future perspectives

As the fastest growing energy sector globally, shale and shale reservoirs have attracted the attention of both industry and scholars. However, the strong heterogeneity at different scales and the extremely fine-grained nature of shales makes macroscopic and microscopic characterization highly challenging. Recent advances in imaging techniques have provided many novel characterization opportunities of shale components and microstructures at multiple scales. Correlative imaging, where multiple techniques are combined, is playing an increasingly important role in the imaging and quantification of shale microstructures (e.g. one can combine optical microscopy, scanning electron microscopy/transmission electron microscopy and X-ray radiography in 2D, or X-ray computed tomography and electron microscopy in 3D). Combined utilization of these techniques can characterize the heterogeneity of shale microstructures over a large range of scales, from macroscale to nanoscale (c. 100-10-9 m). Other chemical and physical measurements can be correlated to imaging techniques to provide complementary information for minerals, organic matter and pores. These imaging techniques and subsequent quantification methods are critically reviewed to provide an overview of the correlative imaging workflow. Applications of the above techniques for imaging particular features in different shales are demonstrated, and key limitations and benefits summarized. Current challenges and future perspectives in shale imaging techniques and their applications are discussed

Tracing back the source of contamination

From the time a contaminant is detected in an observation well, the question of where and when the contaminant was introduced in the aquifer needs an answer. Many techniques have been proposed to answer this question, but virtually all of them assume that the aquifer and its dynamics are perfectly known. This work discusses a new approach for the simultaneous identification of the contaminant source location and the spatial variability of hydraulic conductivity in an aquifer which has been validated on synthetic and laboratory experiments and which is in the process of being validated on a real aquifer