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

Mechanical and hydraulic properties of the excavation damaged zone (EDZ) in the Opalinus Clay of the Mont Terri rock laboratory, Switzerland

Construction of cavities in the subsurface is always accompanied by excavation damage. Especially in the context of deep geological nuclear waste disposal, the evolving excavation damaged zone (EDZ) in the near field of emplacement tunnels is of utmost importance concerning safety aspects. As the EDZ differs from the intact host rock due to enhanced hydraulic transmissivity and altered geomechanical behavior, reasonable and location-dependent input data on hydraulic and mechanical properties are crucial. Thus, in this study, a hydromechanical characterization of an EDZ in the Mont Terri underground rock laboratory, Switzerland, was performed using three different handheld devices: (1) air permeameter, (2) microscopic camera and (3) needle penetrometer. The discrete fracture network (DFN), consisting of artificially induced unloading joints and reactivated natural discontinuities, was investigated by a portable air permeameter and combined microscopic imaging with automatic evaluation. Geomechanical and geophysical characterization of the claystone was conducted based on needle penetrometer testing at the exposed rock surface. Within the EDZ, permeable fractures with a mean hydraulic aperture of 84 ± 23 µm are present. Under open conditions, self-sealing of fractures is suppressed, and cyclic long-term fracture aperture oscillations in combination with closure resulting from convergence processes is observed. Based on measured needle penetration indices, a uniaxial compressive strength of 30 ± 13 MPa (normal to bedding) and 18 ± 8 MPa (parallel to bedding) was determined. Enhanced strength and stiffness are directly related to near-surface desaturation of the claystone and a sharp decrease in water content from 6.6 wt % to 3.7 wt %. The presented methodological approach is particularly suitable for time-dependent monitoring of EDZs since measurements are nondestructive and do not change the actual state of the rock mass. This allows for a spatially resolved investigation of hydraulic and mechanical fracture apertures, fracture surface roughness, and physico-mechanical rock parameters and their intra-facies variability

Determination of the hydraulic conductivities of a sandstone using an air permeameter [Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten eines Sandsteins mithilfe eines Luftpermeameters]

Ziel dieser Studie ist die Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten eines Sandsteins unter Berücksichtigung der Gesteinsmatrix sowie einer Einzelkluft unter Verwendung eines tragbaren Luftpermeameters. Hierfür wurde der fluviatil-äolisch abgelagerte Bebertaler Sandstein des Oberen Rotliegenden in Sachsen-Anhalt untersucht. Es wurden die Matrixpermeabilitäten der unterschiedlichen Faziesbereiche sowie die Kluftöffnungsweiten entlang einer Schichtfuge bestimmt. Die ermittelten hydraulischen Durchlässigkeiten der Sandsteinmatrix liegen dabei zwischen 1,0 · 10$^{-7}$ und 9,2 · 10$^{-7}$ m/s, allerdings weisen nur 3 von insgesamt 298 Messpunkten einen kf-Wert von > 7,4 · 10$^{-7}$ m/s bzw. eine Permeabilität von > 10 mD auf. Diese gehören zur homogenen und höher durchlässigen äolischen Fazies. Die bestimmte mittlere Öffnungsweite der Schichtfuge liegt bei 82 ± 12 µm. Mithilfe der ermittelten hydraulischen Eigenschaften konnte somit die effektive hydraulische Durchlässigkeit des untersuchten Sandsteins bestimmt werden. Unsere Ergebnisse verdeutlichen die praktische und robuste Anwendbarkeit des verwendeten Luftpermeameters zur Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten von Sandsteinen sowohl im Labor als auch im Gelände

Quantification of Fracture Roughness by Change Probabilities and Hurst Exponents

The objective of the current study is to utilize an innovative method called “change probabilities” for describing fracture roughness. In order to detect and visualize anisotropy of rock joint surfaces, the roughness of one-dimensional profiles taken in different directions is quantified. The central quantifiers, change probabilities, are based on counting monotonic changes in discretizations of a profile. These probabilities, which usually vary with the scale, can be reinterpreted as scale-dependent Hurst exponents. For a large class of Gaussian stochastic processes, change probabilities are shown to be directly related to the classical Hurst exponent, which generalizes a relationship known for fractional Brownian motion. While related to this classical roughness measure, the proposed method is more generally applicable, therefore increasing the flexibility of modeling and investigating surface profiles. In particular, it allows a quick and efficient visualization and detection of roughness anisotropy and scale dependence of roughness

Upscaling calcite dissolution rates in a tight reservoir sandstone

Calcite is a highly abundant mineral in the Earth’s crust and occurs as a cement phase in numerous siliciclastic sediments, where it often represents the most reactive component when a fluid percolates through the rock. Hence, the objective of this study is to derive calcite dissolution rates on different scales in a reservoir sandstone using mineral surface experiments combined with vertical scanning interferometry (VSI) and two types of core plug experiments. The 3D geometry of the calcite cement phase inside the rock cores was characterized by X-ray micro-computed tomography (µXCT) and was used to attempt dissolution rate upscaling from the mineral surface to the core scale. Initially (without upscaling), our comparison of the far-from-equilibrium dissolution rates at the mineral surface (µm-mm-scale, low fluid residence time) and the surface normalized dissolution rates obtained from the core experiments (cm-scale, high fluid residence time) revealed differences of 0.5–2 orders of magnitude. The µXCT geometric surface area connected to the open pore space (GSA$_{Cc,open}$) considers the fluid accessibility of the heterogeneously distributed calcite cement that can largely vary between individual samples, but greatly affects the effective dissolution rates. Using this parameter to upscale the rates from the µm- to the cm-scale, the deviation of the upscaled total dissolution rates from the measured total dissolution rates was less than one order of magnitude for all investigated rock cores. Thus, GSA$_{Cc,open}$ showed to be reasonably suitable for upscaling the mineral surface rates to the core scale

Simulating permeability reduction by clay mineral nanopores in a tight sandstone by combining computer X-ray microtomography and focussed ion beam scanning electron microscopy imaging

Computer X-ray microtomography (µXCT) represents a powerful tool for investigating the physical properties of porous rocks. While calculated porosities determined by this method typically match experimental measurements, computed permeabilities are often overestimated by more than 1 order of magnitude. This effect increases towards smaller pore sizes, as shown in this study, in which nanostructural features related to clay minerals reduce the permeability of tight reservoir sandstone samples. Focussed ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) tomography was applied to determine the permeability effects of illites at the nanometre scale, and Navier–Stokes equations were applied to calculate the permeability of these domains. With these data, microporous domains (porous voxels) were defined using microtomography images of a tight reservoir sample. The distribution of these domains could be extrapolated by calibration against size distributions measured in FIB-SEM images. For this, we assumed a mean permeability for the dominant clay mineral (illite) in the rock and assigned it to the microporous domains within the structure. The results prove the applicability of our novel approach by combining FIB-SEM with X-ray tomographic rock core scans to achieve a good correspondence between measured and simulated permeabilities. This methodology results in a more accurate representation of reservoir rock permeability in comparison to that estimated purely based on µXCT images

Quantification of Fracture Roughness by Change Probabilities and Hurst Exponents

The objective of the current study is to utilize an innovative method called “change probabilities” for describing fracture roughness. In order to detect and visualize anisotropy of rock joint surfaces, the roughness of one-dimensional profiles taken in different directions is quantified. The central quantifiers, change probabilities, are based on counting monotonic changes in discretizations of a profile. These probabilities, which usually vary with the scale, can be reinterpreted as scale-dependent Hurst exponents. For a large class of Gaussian stochastic processes, change probabilities are shown to be directly related to the classical Hurst exponent, which generalizes a relationship known for fractional Brownian motion. While related to this classical roughness measure, the proposed method is more generally applicable, therefore increasing the flexibility of modeling and investigating surface profiles. In particular, it allows a quick and efficient visualization and detection of roughness anisotropy and scale dependence of roughness.Karlsruher Institut für Technologie http://dx.doi.org/10.13039/100009133Bundesministerium für Bildung und Forschung http://dx.doi.org/10.13039/50110000234