Laborversuche zur hydraulischen Risserzeugung in dreiaxial belasteten Granitquadern - Grundlagen, Versuchsentwicklung, -durchführung und Analyse

Siebert, Philipp; Clauser, Christoph; Ziegler, Martin

doi:HT019601651

Laborversuche zur hydraulischen Risserzeugung in dreiaxial belasteten Granitquadern - Grundlagen, Versuchsentwicklung, -durchführung und Analyse

Siebert, Philipp^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Siebert

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XXII, 171 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Clauser, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221026
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/716212/files/716212.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Bei der hydraulischen Risserzeugung (engl. hydraulic fracturing) werden durch hohen Fluiddruck Risse erzeugt, geweitet und vorangetrieben. Als technisches Verfahren wird die hydraulische Risserzeugung unter anderem zur künstlichen Anlage geothermaler Systeme verwendet - sogenannter Technisch-angelegter geothermaler Systeme. Bei diesen wird durch die im tiefen Untergrund hydraulisch erzeugten Risse ein Fluid gepumpt, um die geothermale Energie fördern und dann über Tage technisch nutzbar machen zu können. Da Technisch-angelegte geothermale Systeme prinzipiell unabhängig von (tiefen-)wasserführenden Schichten und Temperatur-anomalien sind, ist allein von diesen ein wesentlicher Beitrag der Geothermie zur Energieversorgung in Deutschland zu erwarten. Verschiedene internationale Pilotprojekte konnten die prinzipielle Realisierbarkeit Technisch-angelegter geothermaler Systeme bestätigen, ein nach wirtschaftlichen Maßstäben erfolgreicher Energiegewinn ist aber noch nicht gelungen. Für die erfolgreiche Realisierung Technisch-angelegter geothermaler Systeme ist es unter anderem erforderlich, die hydraulische Risserzeugung in kristallinen Tiefengesteinen besser verstehen, beschreiben und dann auch planen zu können. Vor diesem Hintergrund wird in einem neuen Forschungsverbund an der RWTH Aachen University, unter Federführung des Instituts für Angewandte Geophysik und Geothermie, der Prozess der hydraulischen Risserzeugung in kristallinem Grundgestein experimentell und numerisch untersucht. Dabei sollen die experimentellen Ergebnisse dazu dienen, verschiedene numerische Ansätze überprüfen und verbessern zu können und ein numerisches Werkzeug zu entwickeln, mit Hilfe dessen die hydraulische Risserzeugung für die Geothermie zukünftig geplant werden kann. Da bei entsprechenden Feldversuchen aufgrund der erforderlichen Tiefbohrungen sehr hohe Kosten entstehen, die Veränderung einiger Randbedingungen nur durch Ortswechsel möglich wären und die Versuchsergebnisse aufgrund der natürlichen Heterogenität des Untergrunds nur bedingt reproduzierbar sind, wurden im Projekt zunächst Experimente im Labormaßstab durchgeführt. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer Versuchsapparat entwickelt. In den hier vorgestellten Versuchsreihen werden quaderförmige Gesteinsproben (300 x 300 x 450 mm³) aus Tittlinger Feinkorn Granit zunächst mit Druckkissen echt dreiaxial vorbelastet, um den wesentlichen Einfluss des Ausgangsspannungszustands auf die Rissentstehung und -ausbreitung abzubilden. Dann wird mit einer Präzisionshochdruckpumpe gefärbtes Glycerin in einen abgegrenzten Bohrlochabschnitt der zentrisch durchbohrten Proben eingepresst. Erreicht der Fluiddruck einen kritischen Wert, entsteht am belasteten Bohrlochabschnitt ein Riss, der durch die Injektion von weiterem Fluid vergrößert wird. Um das Risswachstum in den Versuchen zu verlangsamen und die Risse innerhalb der Proben zu halten, wird ein spezielles Injektionsverfahren angewendet: In einem sogenannten „Anrisszyklus“ wird bis zum Erreichen des Spitzendrucks Fluid injiziert und dann der Druck schlagartig abgelassen. Im zweiten Injektionszyklus wird dann mit einer sehr geringen, konstanten Injektionsrate von Q = 0,05 cm3/min der vorab erzeugte „Anriss“ geöffnet und ausgebreitet. Zur Überwachung der Rissausbreitung werden die akustischen Emissionen, die mit dem Rissprozess einhergehen aufgenommen und nachträglich lokalisiert. Darüber hinaus werden der Druck im Injektionsstrang und die Regelvolumina der Belastungssteuerung der Druckkissen aufgezeichnet. Nach dem Versuchsende wird die Probe in der Rissebene gespalten und mit Hilfe eines 3D-Scanners die „gefärbte Rissfläche“ aufgenommen. Auf die Darstellung zahlreicher Vorversuche die zur Entwicklung des Versuchs erforderlich waren, wird in der vorliegenden Arbeit verzichtet. Stattdessen werden die sechs letzten Versuchsserien dargestellt, die aus je drei Einzelversuchen mit gleichen Einstellungen bestehen. In fünf der Versuchsserien sind von einer umlaufenden Kerbe an der Bohrlochwand aus Risse erzeugt und bohrlochtransversal ausgebreitet worden. Die Injektionsdauer, der Injektionsablauf und die Normalspannung auf die Rissebene (z) wurden variiert. In der sechsten Versuchsreihe wurden zudem bohrlochparallele Risse erzeugt. Die Versuche zeigen, dass die hydraulische Risserzeugung im entwickelten Versuchsstand bezüglich des Injektionsdruckniveaus sowie der Größe und der Form der Risse reproduzierbar möglich ist. Darüber hinaus machen die Beobachtungen deutlich, dass das hydraulische Risswachstum zeitlich variabel von verschiedenen Einflüssen dominiert wird: Direkt nach dem Erreichen des Spitzendrucks bedingt der durch die Dekompression des Fluids gesteigerte Volumenstrom eine zunächst sehr schnelle Rissausbreitung. Mit dem Abbau der überschüssigen elastischen Energie, nimmt der Einfluss von Fluidverlusten zu und das Risswachstum verlangsamt deutlich. In einigen Versuchen wird sogar ein Rissstopp beobachtet, da die Fluidverluste die Injektionsrate zwischenzeitlich übersteigen. Durch den zahlenmäßigen Unterschied zwischen der Regelvolumenänderung des Belastungsapparats (Vz), die mit der Dehnung der Probe korreliert, und dem injizierten Volumen (Vp) kann gezeigt werden, dass ein hoher Anteil des injizierten Glycerins in das teilgesättigte Gestein migriert ohne Rissvolumen zu erzeugen. Der Abgleich der Versuchsergebnisse mit einem einfachen analytischen Modell bekräftigt diese Feststellung. Die im Projekt vorab getroffene Annahme, das Versuchsgestein sei als impermeabel anzusehen, scheint für die Simulation der vorgestellten Versuche mit sehr geringer Injektionsrate sowie dem verwendeten Injektionsfluid und Versuchsgestein nicht gerechtfertigt. Bei den hier angestellten Versuchen wurde die Frage der Skalierbarkeit bewusst ausgeklammert. Für Folgeuntersuchungen ist zu empfehlen, die Versuchseinstellung von der Feldskala abzuleiten und in den Labormaßstab zu skalieren. Entsprechende Skalierungsansätze wurden durch die „hydraulic fracturing - Forschung“ entwickelt. Deren Übertragbarkeit auf den geothermalen Hintergrund ist zu überprüfen. Auf diese Weise könnte ausgeschlossen werden, dass zukünftig rein laborspezifische Phänomene die experimentellen und numerischen Entwicklungen zur hydraulischen Risserzeugung bestimmen. Abschließend ist festzuhalten, dass der entwickelte Versuch(-sstand) eine solide Grundlage für die zukünftigen Experimente darstellt. Insbesondere die Weiterentwicklung der hier beschriebenen Dehnungsmessungen über die Volumenveränderung in den Druckkissen und Optimierungen bei der eingesetzten Messtechnik zur akustischen Emissionsanalyse versprechen zusätzliche Erkenntnisse bei der Interpretation der Versuche.

In hydraulic fracturing, cracks are generated, opened and propagated by high fluid pressure. Hydraulic fracturing as a technical process is used, among other applications, to install artificial geothermal systems - so-called engineered geothermal systems (EGS). In EGS, a fluid is pumped through the hydraulically generated cracks in the deep subsoil in order to promote geothermal energy. Since EGS are basically independent of water-bearing layers and temperature anomalies, a significant contribution of geothermal energy to Germanys energy supply is expected. Various international pilot projects have confirmed the feasibility of engineered geothermal systems. However, these projects were still inefficient in terms of profitability. For a successful realization of an EGS, it is necessary to improve, inter alia, the understanding and the numerical simulation of hydraulic fracturing in plutonic rock to make it more predictable. Against this background, the process of hydraulic fracturing in crystalline bed-rocks is investigated experimentally and numerically in a new research group at RWTH Aachen University under the leadership of the Institute of Applied Geophysics and Geothermal Energy. The projects approach is to use experimental results to examine and improve various numerical methods in order to develop a numerical tool for planning of hydraulic fracturing for future geothermal applications. Since field-scale experiments are very costly due to the need of deep drilling, a variation of some boundary condition is only possible by changing the location of the experiment and because of the poor reproducibility due to the natural heterogeneity of the subsoil, laboratory-scale experiments were carried out in this project. For this purpose a new experimental apparatus has been developed. In the presented test series, cuboidal rock samples (300 x 300 x 450 mm3) made from Tittlinger Feinkorn granite are loaded triaxially with flat-jacks to simulate the influence of the initial stress state on the fracturing process. Then, dyed glycerin is pressed into a delimited borehole section of the centrically drilled samples with a high-pressure precision-pump. When the fluid pressure reaches a critical value, a crack initiates at the loaded borehole section, and is propagated by the injection of further fluid. In order to decrease the speed of fracture growth and to keep the cracks within the specimens, a special injection method is used: in a so-called "pre-fracturing cycle", fluid is injected until the peak pressure is reached. Then the pressure is discharged abruptly. In the second injection cycle, the previously produced "flaw" is opened and propagated with a very low, constant injection rate of Q = 0.05 cm3 / min. Acoustic emissions of the fracturing process are recorded and subsequently localized to monitor the fracture propagation. In addition, the pressure in the injection string and the control volumes of the control-device connected to the flat-jacks are recorded. After the test, the sample is split in the crack plane and the "colored fracture surface" is scanned with a 3D scanner. The present work does not include a description of the numerous preliminary experiments which were necessary to develop the final experimental procedure. Instead, the six last test series are presented, each consisting of three individual tests with the same settings. In five series, cracks were generated from a circumferential notch on the wall of the borehole and propagated transvers to the borehole axis. The duration of injection, the injection process and the normal stress on the crack plane (z) were varied. In the sixth series, fractures parallel to the borehole-axis were produced. The tests show that the hydraulic fracturing in the developed test stand is reproducible with regard to the injection pressure level as well as the size and shape of the created fractures. In addition, the observations show that the hydraulic fracture propagation is dominated by different influences, varying with time: Directly after reaching the peak pressure, the volume flow, which is increased by the decompression of the fluid, causes the crack to propagate very rapid initially. With the reduction of the excess in elastic energy, the influence of fluid losses increases and the fracture propagation slows down significantly. In some experiments, even a crack stop is observed since the fluid losses exceed the injection rate in the meantime. The numerical difference between the control volume change of the loading apparatus (Vz), which correlates with the elongation of the sample, and the injected volume (Vp), shows that a high proportion of the injected glycerin migrates into the partially saturated rock without creation of new crack volume. By comparing the test results with a simple analytical model this conclusion could be confirmed. The preliminary assumption that the experimental rock is to be regarded as impermeable does not appear to be justified for the simulation of the presented experiments with its very low injection rate as well as the injection fluid and the type of rock used. In planning of the presented experiments, the question of scalability was deliberately ignored. For subsequent investigations it is recommended to derive the experimental setting from the field scale and to scale it into the laboratory scale. Corresponding scaling approaches were developed by "hydraulic fracturing research". Their transferability to the geothermal background has to be checked. Thus, in the future it could be excluded that in the future purely laboratory-specific phenomena will determine the experimental and numerical developments for hydraulic fracturing. To conclude, it can be stated that the newly developed experiment is a strong foundation for future investigations. Improvements in the described strain measurements by analyzing the volume changes in the flat-jacks and optimizations on the technique for the acoustic emission analysis promise additional insights in the interpretation of the experiments.

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