Numerical simulations of coupled processes in rock fractures
Creators: name: Kling, Tobias
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Deep geothermal
Fractured reservoir
Rock fractures
Joints
Discrete fracture network
Numerical simulations
Numerical modelling
Normal closure
Contact mechanics
HM coupling
Computed tomography
Navier-Stokes-Brinkman
Flow channeling
Fracture sealing
Mineral-filled fractures
Hydrothermal quartz
Phase-field model
Navier-stokes simulation
Hydraulic aperture
Fracture flow

description: Reservoirmodelle sind unerlässlich, um das Potential und Risiken bei der Gewinnung geothermischer Energie zu beurteilen. Eine wesentliche Einschränkung zuverlässiger Reservoirmodelle ist jedoch die Verfügbarkeit benötigter Kluftparameter, die oftmals auf allzu einfachen oder auch fehlenden Methoden beruhen oder extrem aufwändige experimentelle Aufbauten benötigen. Um passende Klufteigenschaften zu definieren, ist es daher nötig, 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 unabhängige Herangehensweisen vorgestellt:
In Studie 1 wird ein kontaktmechanischer Ansatz basierend auf einer neuartigen, frei zugänglichen 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 Übereinstimmung mit den Ergebnissen der experimentellen Normalverschiebung aufweist. Im Gegensatz zu anderen schnellen und leicht anwendbaren Kontaktmodellen, berücksichtigen sowohl das elastische als auch das elastisch-plastische Model eine realitätsnahe Wiedergabe der Kontaktbereiche (&lt; 2 % bei 10 MPa Auflast) und das Auftreten ungleichmäßiger lokaler Vertikalversätze. Obwohl ein genereller Widerstand gegen ausgeprägte nicht-elastische Deformation (sogar bei 10 MPa) zu beobachten ist, was auch durch die neu hergeleitete relative Härte von 0.14 bekräftigt wird, bestätigen die lokalen Kontaktbelastungen die höhere Validität des elastisch-plastischen Kontaktmodels.
In Studie 2 wird eine neuartige Vorgehensweise, basierend auf zerstörungsfreien in situ Scans mittels medizinischer Computertomografie (CT), vorgestellt, die sich als geeignet erweist um den Fluidfluss in weniger rauen Klüften mit kleinen Öffnungsweiten (&lt; 35 μm) annäherungsweise numerisch zu bestimmen. Die Ergebnisse werden anhand von Durchflussexperimenten an einer geklüfteten Sandsteinprobe unter Be- und Entlastungsbedingungen validiert, die zeitgleich zu der CT-Scans durchgeführt wurden. Abweichungen von den experimentellen Durchflussergebnissen sind bedingt durch unvermeidbare Abweichungen während der Kalibrierung der Öffnungsweiten,  durch Einflussnahme der Gesteinsmatrix und durch die grobe Auflösung des CT Geräts. Trotz dieser Abweichungen, zeigen die Simulationen ein ausgeprägtes lastabhängiges Fließverhalten („Channeling“) und ein permanentes oder vorübergehendes Schließen einzelner Fließwege, wobei deutlichere Änderungen des Fließregimes unterhalb der Auflösung (0.5 × 0.5 × 1.0 mm³) der CT-Scans zu erwarten sind.
In Studie 3 wird ein Phasenfeld-Model für hydrothermalbedingten Quarzwachstum angewandt, um den Einfluss der entstehenden Fällungs-Geometrien auf die hydraulischen Eigenschaften von Klüften zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass der Fluidfluss in teilweise mineralisierten Klüften deutlich abhängig vom Kristallhabitus der ausgefällten Minerale ist. Für eher gestreckte Kristalle entwickeln sich typischerweise sogenannte „Kristallbrücken“, die ausgeprägte Fließbarrieren bilden und die Bildung von hydraulischen Klufteigenschaften begünstigen, die denen eines porösen Medium ähneln. Auf Basis der Strömungssimulationen kann eine neuartige semi-empirische Gleichung hergeleitet werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften abzuschätzen.
In Rahmen dieser Thesis werden somit drei einfach anwendbare Methoden vorgestellt, welche die Grundlage für weitere Untersuchungen an Klüften darstellen und für verschiedenartige Kluft-Fragestellungen verwendet werden können. Die Web-Anwendung stellt eine schnelle und frei zugängliche Methode dar, die genutzt werden kann, um die druckabhängige Normalverschiebung von Klüften basierend auf herkömmlichen Oberflächenscans zu untersuchen. Der vorgeschlagene zerstörungsfreie Ansatz für medizinische CT-Scans ist sinnvoll, um beispielsweise die hydraulischen Eigenschaften von dicht verschlossenen, chemisch alterierten Klüften abzuschätzen. Die neu hergeleitete Gleichung der dritten Studie liefert eine effizientere Alternativlösung zu herkömmlichen Modellen, die zur Bestimmung der hydraulischen Kluftöffnungsweite entwickelt wurden, und kann genutzt werden, um die hydraulischen Eigenschaften von teilweise mineralisierten Klüften relativ unkompliziert abzuschätzen.