Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3569
Main Title: Thermomechanical and poromechanical behavior of Flechtinger sandstone
Translated Title: Thermomechanische und poromechanische Verhalten von Flechtinger Sandstein
Author(s): Hassanzadegan, Alireza
Advisor(s): Tröger, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Produktion und Injektion von Wasser aus einem geothermischen System in ein Reservoir führt zu Porendruckïänderungen und damit zu Veränderungen der Spannungen im Reservoir und in dem umliegenden Gesteine. Eine Abnahme des Porendrucks durch Überproduktion erhöht den Stress auf das Reservoirgestein und kann verschiedene Arten von Deformationen in verschiedenen Skalenbereichen hervorrufen, z.B. elastische und unelastische. Auf der Mikroskala kann die Verformung durch Verschiebung von Kornkontakten, Öffnen oder schließen von Rissen, Kompaktion oder Porenversagen begleitet werden. Es kann zur Reaktivierung von Störungen oder zu Setzungserscheinungen an der Oberfläche auf der Makroskala kommen. Die Injektion von kaltem Wasser in einen Warmwasserspeicher würde das Gestein thermisch kompaktieren, jedoch hemmt das Korngerüst des Gesteins die Kompaktion, wodurch wiederum thermischer Stress induzieret wird. Der thermisch induziert Stress beeinflusst nicht nur die gesteinsmechanischen Eigenschaften, sondern wirkt sich auch auf die poroelastischen Parameter und somit auch auf die Porosität und Permeabilität des Gesteins aus. Akustische Geschwindigkeitsmessungen und mechanische Tests können verwendet werden um die dynamischen und statischen Elastizitätsmoduln von Gesteinen zu bestimmen. In dieser, Studie wurden mehrere Experimente zur Bestimmung von thermischen Effekten auf akustische, poroelastische und hydraulische Parameter durchgeführt. Unter Verwendung eines herkömmlichen Triaxial-Systems wurden Proben des Flechtinger Sandsteins geprüft. Der Flechtinger Sandstein ist ein Analogmaterial zu den Rotliegend Sedimenten des geothermischen Reservoirs in Groß Schönebeck. Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen anhand von ummantelten und drainierten Proben bei 30, 60, 90, 120 und 140 °C durchgeführt. Direkte und indirekte Methoden wurden eingesetzt, um den Biot-Koeffizienten und die Porositätsveränderung zu messen. Für die indirekte Methode werden zwei Experimente benötigt: Hydrostatische Kompression einer ummantelten Probe, um das Kompressionsmodul des drainiert Korngerüstes zu erhalten, und die hydrostatische Kompression, einer nicht ummantelten Probe, um das Kompressionsmodul der Körner zu messen. Das direkte Verfahren verwendet eine umschlossene Probe wobei die Änderung des Porenvolumens und die volumetrische Spannung gemessen werden. Das thermomechanische Verhalten des Flechtinger Sandsteins wurde von einem entropischen Verhalten begleitet, wobei sich die Abhängigkeit des drainierten Kompressionsmoduls von der Temperatur abhängt. Das inelastische Verhalten des Gesteins, die Wechselwirkungen zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Kompressionsmodul und die Wärmeübertragung auf verschiedenen Fließwegen ruft Veränderungen der Porenraumgeometrie hervor. Die Porosität nimmt mit dem Temperaturanstieg bei niedrigem Effektivdruck ab und steigt mit einem Anstieg der Temperatur beim höheren Effektivdrücken. Der Biot-Koeffizient nimmt mit zunehmendem Effektivdruck und sinkender Temperatur ab. Darüber hinaus wurden die Kompressionsmoduli an Exponentialfunktionen angepasst und das Seitenverhältnis und die Riss-Porosität wurden für jede Belastungs-Kurve bestimmt. Das Maximum der Seitenverhältnis-Verteilungsfunktion stieg mit der Temperatur, was auf die Bildung von neuen Rissen aufgrund thermischer und mechanischer Belastung zurückgeführt werden konnte. Des Weiteren wurde ein neues Modell abgeleitet welches die Druckabhängigkeit der Permeabilität auf Basis Poro-Elastizitäts-Theorie zeigt, Dabei wird der Einfluss des Drucks auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften beschrieben.
The production and injection of water from a geothermal system results in pore pressure changes and consequently changing in the stress acting on the reservoir and surrounding rocks. A decrease in pore pressure due to depletion increases the stress carried by reservoir rock and may result in a various type of deformations at micro and macro scales e.g. elastic and inelastic. At the microscale the rock deformation may be accompanied by rearrangement of contact points, opening and closure of cracks, solid compaction and pore collapse. It may result to reactivation of the faults and surface subsidence at the macroscale. The injection of cold water into a hot water reservoir will contract the rock, albeit the surrounding rock will constrain this contraction and thermal stress will be induced. This thermally induced stress not only influences the rock mechanical properties but also affects the poroelastic parameters and consequently porosity and permeability of the rock. Acoustic velocity measurements and mechanical tests can be employed to provide the dynamic and static elastic moduli of rock, respectively. Several experiments were performed in this study using a conventional triaxial testing system to investigate thermal effects on acoustic, poroelastic and hydraulic parameters of Flechtinger sandstone, an outcropping equivalent of the (Rotliegend) reservoir rock. The isothermal jacketed drained experiments were performed at 30, 60, 90, 120, and 140°C. Direct and indirect methods were employed to measure the Biot coefficient and porosity variation. In the indirect method, two experiments are required: a hydrostatic compression test on a jacketed specimen to measure the drained bulk modulus of the framework and a hydrostatic compression test on an unjacketed specimen to measure the bulk modulus of the solid grains. The direct method employs a jacketed specimen and the change in pore volume and volumetric strain are measured. Thermomechanical behavior of Flechtinger sandstone was accompanied by an entropic behavior where the sign of temperature dependence of the drained bulk modulus changes (inversion effect). The inelastic behavior of the rock, the interrelation between thermal expansion coefficient and bulk modulus, and the path dependence of heat transfer processes govern the temperature effects and induced changes in pore geometry. The porosity variation was decreasing with an increase in temperature at low effective pressures and was increasing with a rise in temperature at high effective pressures. The Biot coefficient decreased with increasing effective pressure and temperature. Moreover, the bulk moduli were fitted to exponential functions and aspect ratio distribution and crack porosity were determined for each stress-strain curve. The peak of aspect ratio distribution function increased with temperature which can be assigned to creation of new cracks due to thermal and mechanical loading. Furthermore, a new model was derived to describe the pressure dependence of permeability to poroelasticity theory where the effect of pressure on mechanical and hydraulic properties can be determined.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39432
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3866
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3569
Exam Date: 7-Dec-2012
Issue Date: 24-Apr-2013
Date Available: 24-Apr-2013
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Biot Koeffizient
Geomechnik
Gesteinsmechanik
Poroelastizität
Thermoelastizität
Biot Coefficient
Geomechanics
Poroelastic
Rock Mechanics
Thermoelastic
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