Numerical simulations of coupled processes in rock fractures

Reservoirmodelle sind unerlasslich, um das Potential und Risiken bei der Gewinnung geothermischer Energie zu beurteilen. Eine wesentliche Einschrankung zuverlassiger Reservoirmodelle ist jedoch die Verfugbarkeit benotigter Kluftparameter, die oftmals auf allzu einfachen oder auch fehlenden Methoden beruhen oder extrem aufwandige experimentelle Aufbauten benotigen. Um passende Klufteigenschaften zu definieren, ist es daher notig, die zugrundeliegenden (oftmals gekoppelten) thermischen, hydraulischen, chemischen und mechanischen (THCM) Prozesse zu verstehen und zu quantifizieren, indem man wirkungsvolle, aber anwendungsorientierte Methoden zur Kluftanalyse entwickelt. Um diese Erfordernisse anzugehen, werden in dieser Arbeit drei voneinander unabhangige Herangehensweisen vorgestellt: In Studie 1 wird ein kontaktmechanischer Ansatz basierend auf einer neuartigen, frei zuganglichen Web-Anwendung, die sowohl elastische als auch elastisch-plastische Kontaktdeformation innerhalb der Kluft betrachtet, vorgestellt und anhand von Uniaxialtests an einer kreisrunden Granodiorit-Kluft validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass insbesondere der elastisch-plastische Ansatz eine gute Ubereinstimmung mit den Ergebnissen der experimentellen Normalverschiebung aufweist. Im Gegensatz zu anderen schnellen und leicht anwendbaren Kontaktmodellen, berucksichtigen sowohl das elastische als auch das elastisch-plastische Model eine realitatsnahe Wiedergabe der Kontaktbereiche (< 2 % bei 10 MPa Auflast) und das Auftreten ungleichmasiger lokaler Vertikalversatze. Obwohl ein genereller Widerstand gegen ausgepragte nicht-elastische Deformation (sogar bei 10 MPa) zu beobachten ist, was auch durch die neu hergeleitete relative Harte von 0.14 bekraftigt wird, bestatigen die lokalen Kontaktbelastungen die hohere Validitat des elastisch-plastischen Kontaktmodels. In Studie 2 wird eine neuartige Vorgehensweise, basierend auf zerstorungsfreien in situ Scans mittels medizinischer Computertomografie (CT), vorgestellt, die sich als geeignet erweist um den Fluidfluss in weniger rauen Kluften mit kleinen Offnungsweiten (< 35 μm) annaherungsweise numerisch zu bestimmen. Die Ergebnisse werden anhand von Durchflussexperimenten an einer geklufteten Sandsteinprobe unter Be- und Entlastungsbedingungen validiert, die zeitgleich zu der CT-Scans durchgefuhrt wurden. Abweichungen von den experimentellen Durchflussergebnissen sind bedingt durch unvermeidbare Abweichungen wahrend der Kalibrierung der Offnungsweiten, durch Einflussnahme der Gesteinsmatrix und durch die grobe Auflosung des CT Gerats. Trotz dieser Abweichungen, zeigen die Simulationen ein ausgepragtes lastabhangiges Fliesverhalten („Channeling“) und ein permanentes oder vorubergehendes Schliesen einzelner Flieswege, wobei deutlichere Anderungen des Fliesregimes unterhalb der Auflosung (0.5 × 0.5 × 1.0 mm³) der CT-Scans zu erwarten sind. In Studie 3 wird ein Phasenfeld-Model fur hydrothermalbedingten Quarzwachstum angewandt, um den Einfluss der entstehenden Fallungs-Geometrien auf die hydraulischen Eigenschaften von Kluften zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass der Fluidfluss in teilweise mineralisierten Kluften deutlich abhangig vom Kristallhabitus der ausgefallten Minerale ist. Fur eher gestreckte Kristalle entwickeln sich typischerweise sogenannte „Kristallbrucken“, die ausgepragte Fliesbarrieren bilden und die Bildung von hydraulischen Klufteigenschaften begunstigen, die denen eines porosen Medium ahneln. Auf Basis der Stromungssimulationen kann eine neuartige semi-empirische Gleichung hergeleitet werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Kluften abzuschatzen. In Rahmen dieser Thesis werden somit drei einfach anwendbare Methoden vorgestellt, welche die Grundlage fur weitere Untersuchungen an Kluften darstellen und fur verschiedenartige Kluft-Fragestellungen verwendet werden konnen. Die Web-Anwendung stellt eine schnelle und frei zugangliche Methode dar, die genutzt werden kann, um die druckabhangige Normalverschiebung von Kluften basierend auf herkommlichen Oberflachenscans zu untersuchen. Der vorgeschlagene zerstorungsfreie Ansatz fur medizinische CT-Scans ist sinnvoll, um beispielsweise die hydraulischen Eigenschaften von dicht verschlossenen, chemisch alterierten Kluften abzuschatzen. Die neu hergeleitete Gleichung der dritten Studie liefert eine effizientere Alternativlosung zu herkommlichen Modellen, die zur Bestimmung der hydraulischen Kluftoffnungsweite entwickelt wurden, und kann genutzt werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Kluften relativ unkompliziert abzuschatzen.