Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-569
Main Title: Der Einfluß der Mikrostruktur auf die Ultraschalleigenschaften von Sandsteinen bei hydrostatischen Druckbedingungen
Translated Title: The influence of the microstructure on the ultrasonic behavior of sandstones under hydrostatic pressure
Author(s): Mayr, Sibylle Irene
Advisor(s): Burkhardt, Hans
Granting Institution: Technische Universität Berlin, ehemalige Fakultät VI - Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur besseren Interpretierbarkeit der seismische Geschwindigkeiten und Dämpfungen hinsichtlich Lithologie, Porosität & Permeabilität und der Art sowie Menge der Porenfüllung. Die Meßgrößen werden durch die Mikrostruktur (i. e. die Verteilung, Dichte, Größe, Geometrie von Mikrorissen und die Beschaffenheit der Korn-Korn-Kontakte) der Gesteine beeinflußt. Da sich diese mit der Tiefe verändern, ist es unumgänglich, den Einfluß der Mikrostruktur auf die Meßergebnisse auch unter erhöhtem Druck abschätzen zu können. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten wurden bei den Untersuchungen auch S-Wellen herangezogen, da diese nicht durch den Gassmanneffekt beeinflußt sind. Mit einer neu konzipierten druckfesten Meßzelle für Transmissionmessungen (P- und S- Wellen, Ultraschallfrequenzbereich: circa 0,6-1,6 MHz) wurden Dämpfung und Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck an verschiedenen Gesteinen (jeweils trocken und teilgesättigt) bestimmt. Ausgewählt wurden hierzu zwei hochporöse Sandsteine (Bentheimer und Obernkirchner Sandstein), in denen sich neben Mikrorissen auch große Poren befinden sowie ein geringporöses Gestein (Harzer Grauwacke) mit überwiegender Rißporosität. Bei den hochporösen Sandsteinen nimmt die Dämpfung beider Wellentypen mit zunehmendem hydrostatischem Druck ab. Die Geschwindigkeitszunahme mit dem Druck ist im trockenen Gestein stärker als im teilgesättigtem Gestein. Die phänomenologische Interpretation der Daten weist auf eine Rißschließung bereits bei geringer Steigerung des Druckes hin. Das Verhalten der Geschwindigkeiten und Dämpfungen der teilgesättigten Sandsteine zeigt jedoch, daß sogar bei einem effektiven hydrostatischen Druck von 100 MPa bzw. 200 MPa noch offene Risse vorhanden sein müssen. Bei der niederporösen Harzer Grauwacke werden die Veränderungen der Geschwindigkeiten und Dämpfungen in spürbar geringerem Maße beobachtet. Hieraus kann auf eine signifikant geringere Rißschließung, die über den gesamten gemessenen Druckbereich (0 - 100 MPa) hinweg erfolgt, geschlossen werden. Für die weitere Interpretation der Messungen wurden zwei bewährte physikalische Gesteinsmodelle zur Beschreibung der Ausbreitung von elastischen Wellen kombiniert. Durch dieses neue Modell wurden die zwei wesentlichen Relaxationsmechanismen verknüpft, welche in fluidgesättigten Sandsteinen wirksam sind. Damit wurde es ermöglicht, die Beeinflussung durch die Makrostruktur (Gassmann-Effekt, ,,global fluid flow'') und die Mikrostruktur (,,local fluid flow'') explizit zu beschreiben. Unter Annahme einer inhomogenen Verteilung des Porenfluids im Gestein können mit diesem Modell sowohl die sättigungsabhängigen Messungen an Obernkirchner und Bentheimer Sandstein von Schütt (1992) als auch die in Abhängigkeit des Drucks gewonnenen Daten erklärt werden. Die Modellierungen und die phänomenologischen Interpretationen der bei erhöhtem hydrostatischen Druck gewonnenen Daten ergeben übereinstimmende Ergebnisse bezüglich der Größe der Rißabnahme sowie der Bereiche, in denen Rißschließung auftritt. Durch die Modellierung der Dämpfungen und insbesondere der Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen wird eindeutig klar, daß auch unter erhöhtem hydrostatischen Druck noch Mikrorisse in dem teilgesättigten Gestein geöffnet sind.
The present work contributes to a better interpretation of seismic velocities and attenuation with respect to lithology, porosity & permeability as well as the kind and quantity of the pores' filling. The microstructure (i. e. distribution, density, dimension, geometry of cracks and the constitution of grain-grain-contacts) influences the results of measurements. Since these parameters change with depth, it is indispensible to estimate the influence of the microstructure on measurements under high hydrostatic pressure. In contrast to earlier work at the TU-Berlin, S-waves were used in the investigations, because they are not influenced by the Gassmann effect. Using a newly constructed pressure proof cell for transmission measurements (P- and S- waves, ultrasonic frequencies: approx. 0,6-1,6 MHz), velocities and attenuation have been determined in different rock samples (vacuum dry and partially saturated) as a function of hydrostatic pressure up to 200 MPa. Two high-porosity sandstones (''Bentheimer'' und ''Obernkirchner'' sandstone) with microcracks and larger pores as well as a low-porosity ''Harzer Grauwacke'' with predominant crack porosity were used. In the high-porosity sandstones the attenuation of both types of waves is decreasing with increasing pressure. At the same time, the increase of velocities in the dry samples is greater than in the partially saturated samples. Thus the phenomenological interpretation of the data indicates the closure of cracks already with slight increase of pressure. The behavior of the velocities and attenuation in the partially saturated sandstones shows however, that even at a pressure of 100 MPa respectively 200 MPa there must be still some open cracks. In the low-porosity Harzer Grauwacke changes of velocity and attenuation are much noticeable less. From this a significantly lower closure of cracks can be concluded within the pressure range of 0 - 100 MPa. For further interpretation of the measurements two approved physical rock models for describing the elastic wave propagation have been combined. With this new model the two fundamental relaxation mechanisms that are effective in sandstones have been linked together. Therewith the explicit description of the macrostructure (Gassmann effect, global fluid flow) and microstructure (local fluid flow) is possible. Assuming a patchy saturation (i. e. inhomogeneous distribution of the fluid in the pores), not only the saturation dependent measurements on Obernkirchner and Bentheimer Sandstone (gained by Schütt, 1992) but also the pressure dependent data could be explained. The modeling and the phenomenological interpretation of the data gained under increasing hydrostatic pressure yield consistent results concerning the amount of crack closure as well as the range in which crack closure appears. Successfull modeling the attenuation as well as of the velocities the P- and S-waves clearly indicates that even under higher hydrostatic pressure open microcracks in partially saturated stones exist.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4712
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/866
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-569
Exam Date: 3-May-2002
Issue Date: 9-Sep-2002
Date Available: 9-Sep-2002
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Gassmanneffekt
Geschwin
Gesteinsphysik
Hydrostatischer Druck
Mikrostruktur
P-Wellen und S-Wellen
Sandsteine
Ultraschall
fluid-flow -Modelle
At
Fluid-flow-models
Gassmanneffect
Hydrostatic pressure
Microstructure
P-waves and s-waves
Rock physics
Sandstones
Ultrasonic range
Velocity
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 6 Planen Bauen Umwelt » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_26.pdf18,44 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.