Abstract:
Die Permeabilität des Untergrunds ist eine entscheidende Größe für die Machbarkeit vieler geowissenschaftlicher Anwendungen wie der oberflächennahen und tiefen Geothermie, der sicheren Endlagerung radioaktiver Abfälle, der Speicherung von Energieträgern (z.B. Wasser-stoff) und CO2 oder des Tunnelbaus. Die meisten dieser Anwendungen befinden sich in Tiefen-bereichen, in denen die Gesteine eine geringe Matrixpermeabilität aufweisen. Folglich findet der unterirdische Fluidfluss besonders in sekundären Strukturen wie Karst, Störungszonen oder Klüften statt. Letztere spielen vor allem in den zunehmend an Relevanz gewinnenden, oben aufgeführten, energierpolitischen Fragestellungen eine wichtige Rolle. ... mehrDiese Arbeit fokussiert sich deshalb auf die Entwicklung neuartiger Ansätze und die Weiterentwicklung bestehender Methoden zur Charakterisierung der Permeabilität und Erforschung der zugrunde liegenden hydro-mechanischen Prozesse in natürlichen Einzelklüften.
Der erste Teil dieser Thesis beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von methodischen Ansätzen zur Permeabilitätsbestimmung einer Einzelkluft. Die erste Studie behandelt die digitale Abbildung von Kluftflächen, die die Grundlage für viele permeabilitätsbestimmende Methoden bildet. Hierzu werden ein tragbarer 3D-Laserscanner, ein kombiniertes System aus hochauf-lösendem 3D-Laserscanner und robotischem Arm sowie die photogrammetrische „Structure from Motion“-Methode verglichen und für ihren weiteren Einsatz in der Permeabilitätsbestimmung von Einzelklüften evaluiert. Mit der jeweils erzeugten Geometrie werden Durchflusssi-mulationen durchgeführt und mit experimentell ermittelten Luftpermeametermessungen kalibriert. Die Studie wie auch die gesamte Arbeit wurden an einer Schichtfuge in Flechtinger Sandstein, einem bekannten deutschen Reservoirgestein, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der tragbare Laserscanner die Kluftfläche nicht akkurat abbilden kann, was aufgrund seiner geringen Auflösung und Genaugkeit erklärt werden kann und somit für die Permeabilitätsbestimmung ungeeignet ist. Die beiden anderen Methoden können die Kluftfläche zwar hinrei-chend gut abbilden, weisen aber erhöhte Permeabilitätswerte verglichen mit den Kalibrationsdaten auf. Folglich wurde die initiale Kontaktfläche der Klüfte erhöht. Bei relativen Kontaktflächen von 5 – 7 % der Gesamtkluftfläche weist die Kluft eine übereinstimmende Permeabilität zu den Luftpermeametermessungen auf.
Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Studie wurde in der zweiten Studie die Kluftgeomet-rie als Grundlage dafür verwendet, eine topologische Methode zu entwickeln, die die Permeabilität ohne den Einsatz einer experimentellen Messung oder eines numerischen Modells abschätzen kann. Dafür wurde die Methode der persistenten Homologie ausgewählt, die zuvor schon für poröse Medien und Kluftnetzwerke eingesetzt worden war und mit Luftpermeametermessungen sowie numerischen Simulationen validiert wurde. Die persistente Homologie wurde an drei Datensätzen derselben Kluft mit unterschiedlicher Auflösung angewendet (200 μm, 100 μm
und 50 μm). Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die ermittelten Permeabilitäten in der Größenordnung der Validierungsdaten liegen. Zum anderen kann gezeigt werden, dass mit zunehmender Auflösung der relative Fehler zu den Validierungsdaten abnimmt. Bei Betrachtung der Qualität und der Zeitbeanspruchung zeigt sich jedoch, dass die Qualitätsteigerung bei einer Erhöhung der Auflösung von 100 μm zu 50 μm marginal ist, wohingegen sich die aufzubringende Analysezeit um 75 % verlängert.
Der zweite Teil der Thesis, der die dritte Studie umfasst, konzentriert sich auf die Änderung der Permeabilität durch Scherung der Kluft unter verschiedenen Normalspannungen. Hierzu wird eine neuartige Methode entwickelt, bei der ein mechanisches Diskrete-Elemente-Methoden (DEM)-Modell mit einem hydraulischen Finite-Elemente-Methoden (FEM)-Modell kombiniert wird. Dies ermöglicht eine realistische Abbildung des mechanischen Verhaltens der Einzelkluft in Simulationen von Scherversuchen sowie die Rekonstruktion der abgescherten Kluftflächen zu jedem Zeitpunkt des Scherversuchs. Die kombinierten Scherversuche wurden unter sechs Normalspannungsbedingungen simuliert (1,5 MPa – 15,0 MPa). Die Ergebnisse zeigen, dass drei hydraulische Regime unterschieden werden können: (1) Bei geringen Normalspannungen (< 4,0 MPa) öffnet sich die Kluft durch die Scherung mechanisch und die Permeabilität nimmt zu. (2) Bei Normalspannungen zwischen 4,0 MPa und 4,5 MPa kommt es zu einem Wechsel der Permeabilitätsentwicklung und die Permeabilität nimmt durch die Scherung nicht mehr zu, sondern bleibt über den Verlauf des Scherversuchs konstant. Zudem ist eine ausgeprägte Aniso-tropie der Permeabilität zu beobachten. (3) Bei Normalspannungen > 4,5 MPa schließt sich die Kluft durch die Scherung hydraulisch, was vor allem mit der mechanischen Deformation der Kluft sowie der Bildung von Abriebmaterial erklärt werden kann. Es wird beobachtet, dass der Wechsel bei etwa 4,0 MPa genau der schwächsten mechanischen Gesteinseigenschaft, der maximalen Zugfestigkeit, die ebenfalls 4,0 MPa für Flechtinger Sandstein beträgt, eintritt.
Abstract (englisch):
The permeability of the subsurface is a crucial parameter for the feasibility of many geoscientific applications, such as shallow and deep geothermal energy, nuclear waste disposal, the storage of energy carriers (e.g., hydrogen) and CO₂, as well as tunnel construction. Most of these applications occur at depths where the rock matrix exhibits low permeability. Consequently, subsurface fluid flow predominantly occurs in secondary structures such as karst conduits, fault zones, or fractures. The latter is particularly relevant in the context of increasingly important energy policy issues mentioned above. ... mehrThus, this thesis focuses on developing novel approaches, advancing existing methods for characterizing permeability, and investigating the underlying hydro-mechanical processes in natural single fractures.
The first part of this thesis addresses the further development of methodological approaches to characterize the permeability of a single fracture. The first study of this cumulative thesis focuses on the digital representation of fracture surfaces, which forms the basis for many permeability-determining methods. For this purpose, a portable 3D laser scanner, a combined system of a mounted 3D laser scanner and a robotic arm, as well as the photogrammetric "Structure from Motion" method, are compared and evaluated for their suitability in determining the permeability of single fractures. Flow simulations are conducted using the geometries generated by each method and calibrated against experimental air permeameter measurements. The study, as well as the entire thesis, was conducted on a bedding joint in Flechtinger Sandstone, a well-researched German reservoir rock. The results show that the portable laser scanner cannot accurately capture the fracture surface, which is attributed to its low resolution and precision, rendering it unsuitable for permeability determination. The other two methods can adequately capture the fracture surface but yield higher permeability values compared to the calibration data. Consequently, the initial contact area of the fractures was increased. At contact areas of 5 - 7 % of the total fracture surface, the simulated permeability aligns with the air permeameter measurements.
Building on the results of the first study, the second study uses a topological analysis of the obtained fracture geometry as a basis to characterize permeability. The method of persistent homology was selected, which has previously been applied to porous media and fracture networks, and was validated using air permeameter measurements and numerical simulations. Persistent homology was applied to three datasets of the same fracture at different resolutions (200 μm, 100 μm, and 50 μm). The results show, on the one hand, that the estimated permeabilities are within the same order of magnitude as the validation data. On the other hand, it is shown that the relative error compared to the validation data decreases with increasing resolution. However, in terms of quality and time requirements, it becomes evident that the improvement in quality from a resolution of 100 μm to 50 μm is marginal, while the analysis time increases by 75 %.
The second part of the thesis, consisting of the third study, focuses on changes in permeability due to shear displacement of the fracture under varying normal stresses. A novel method is employed that combines a mechanical Discrete Element Method (DEM) model with a hydraulic Finite Element Method (FEM) model. This enables a realistic representation of the mechanical behavior of the single fracture during simulations of direct shear tests and allows for the reconstruction of the sheared fracture surfaces at each stage of the test. The combined shear tests were simulated under six different normal stress conditions (1.5 MPa – 15.0 MPa). The results reveal three distinct regimes: (1) At low normal stresses (< 4.0 MPa), the fracture mechanically dilates on intact asperities, resulting in increased permeability. (2) At normal stresses between 4.0 MPa and 4.5 MPa, a transition occurs, aperities start to break, and permeability remains constant during the shear test. Furthermore, a pronounced anisotropy in permeability is observed. (3) By further increasing normal stresses > 4.5 MPa, the fracture mechanically closes due to mechanical deformation and gouge formation, leading also to hydraulic closure. It is observed that the transition at 4.0 MPa corresponds precisely to the weakest mechanical property of the rock, the ultimate tensile strength, which is also 4.0 MPa for Flechtinger Sandstone
