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. ... mehrDurch 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.

Coupled hydraulic, mechanical and chemical processes have to be considered for numerous subsurface utilizations and are crucial for analyzing the potential, safety and risks as well as the future development of a geosystem. Some subsurface applications, such as radioactive waste disposal, energy storage and geothermal energy usage, also play a key role in the transition to renewable energy resources as part of the global climate action. This thesis focuses on the development of methodological-analytical approaches and tools that can be used to characterize coupled processes in porous and fractured rocks. ... mehrBy investigating two different lithologies and observation scales in the µm- to m-range, this thesis contributes to a better understanding of coupled processes in reservoir and host rocks.
The first part of the thesis considers hydraulic-mechanical (HM) processes and properties in fractured rocks. Fractures represent important flow paths in the rock but are also highly sensitive to mechanical influences. In the first study, a systematic method comparison for a non-invasive quantification of hydraulic fracture apertures is presented. Three different measuring instruments, a portable air permeameter, a microscope camera and a 3D laser scanner, are applied and evaluated on a natural single fracture in a well-known German reservoir analog (Flechtinger Sandstone). This case study shows that the air permeameter provides the most robust results, has the highest investigation depth, and offers substantial advantages in terms of mobility, time expenditure and data processing. For the optical fracture characterization approaches, the hydraulic aperture is determined indirectly by means of various model assumptions based on the mechanical aperture and the fracture roughness. This results in deviations of up to 27 % (microscope camera) and up to 260 % (3D laser scanner) compared to the results of the air permeameter.
Based on the single fracture analysis, the presented methodology is transferred to the field scale and is optimized for application to a host rock formation for nuclear waste disposal. In the second study, a HM characterization of an excavation damaged zone in the Opalinus Clay of the Mont Terri rock laboratory in Switzerland is performed. The analysis of the discrete fracture network in the investigated EZ-B niche, consisting of tectonic and artificial discontinuities, shows that the uncovered excavation damaged zone is characterized by hydraulic apertures of up to 112 µm. Progressive desaturation of the tunnel walls over a period of about 15 years mostly prevented self-sealing processes. The physico-mechanical rock parameters determined on-site by using needle penetrometer tests also illustrate the sensitivity of the Opalinus Clay to tunnel ventilation and indicate a negative correlation of rock strength or stiffness and water content due to a pronounced hydromechanical coupling behavior.
The second part of the thesis focuses on hydraulic-chemical (HC) processes in the porous medium and addresses reactive transport in a reservoir rock. In particular, porosity and permeability changes induced by dissolution or precipitation reactions can significantly alter reservoir properties. The third study investigates the dissolution of calcite cement in the Flechtinger Sandstone and the transferability of experimental reaction rates from the µm-mm-scale (mineral surface) to the cm-scale (core samples). Flow-through experiments on four sandstone cores are used to determine the range of dissolution rates on the cm-scale for different reaction time periods and varying hydraulic boundary conditions. This is contrasted with temporally and spatially resolved calcite dissolution rates at the µm-mm-scale from surface analyses using vertical scanning interferometry. Based on segmented X-ray micro-computed tomography scans of the core samples, a geometric approach is established to estimate the fluid-accessible surface area of the heterogeneously distributed calcite cement within the low-permeable and complex sandstone. Based on this introduced surface parameter, the rate information on the µm-mm scale is transferred to the core scale, yielding deviations of less than one order of magnitude between the upscaled and measured dissolution rates for all studied samples.
Within the scope of this thesis, different measurement methods and approaches are identified, developed, optimized and validated, which can be used to describe and interpret coupled hydraulic-mechanical-chemical processes and to determine related key parameters in fractured and porous rocks. The investigative approach and the obtained results therefore provide a valuable basis for predicting the behavior of natural systems on higher length and time scales.