Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Bohrlochintegrität ist unerlässlich für die erfolgreiche und nachhaltige Produktion und Injektion von Fluiden aus Reservoirgesteinen, wie beispielsweise bei der Nutzung von Kohlenwasserstoffen, Geothermie oder Standorten für geologische Speicherung. Um die Integrität einer Bohrung über seine Lebenszeit zu gewährleisten, ist vor allem eine erfolgreiche primäre Komplettierung nötig. Besonders die Zementation der Rohre stellt dabei ein großes Risiko dar, weil durch die natürlichen Gegebenheiten im Bohrloch viele Faktoren Einfluss auf die Zusammensetzung und Verteilung der Zementsuspension haben. Diese Studie untersucht das Monitoring-potenzial von faseroptischer ortsverteilter Dehnungsmessung DSS (distributed strain sensing). Ergänzend zu faseroptischer ortsverteilten Temperaturmessung DTS (distributed temperature sensing), welche seit mehr als zwei Jahrzehnten in der Industrie Anwendung findet, kann jeder Ort einer Glasfaser zusätzlich Informationen über den mechanischen Spannungszustand geben. Experimentelle und analytische Arbeiten wurden durchgeführt, um die Auswirkung von Laständerungen auf einer Faser zu quantifizieren. Desweiteren wurde der Einfluss komplexer mehrschichtiger Bohrlochkabel auf Dehnungsmessergebnisse untersucht. Ein faseroptisches Messkabel wurde im Zuge dieser Arbeit im Ringraum entlang der Produktionsrohrtour einer Bohrung installiert. Die gemessenen Geländedaten zeigen Ergebnisse aus zwei Arbeitsschritten der Fertigstellung der Bohrung - der Filterverkiesung und der Zementation. Aufgrund der Dichtedifferenz von Kies und Bohrspülung wurde am Kabel ein Dehnungseffekt gemessen. Die Teufe, in welcher der Dehnungseffekt auftritt, korreliert mit Wireline Gamma-Gamma-Dichtedaten, welche im gleichen Zeitfenster gemessen wurden. Die anschliessende Kompaktion des Kieskopfes wurde durch das Glasfaserkabel in Form einer zunehmenden mechanischen Belastung erfasst. Während der anschliessenden Zementation der Rohrtour wurde ein Dehnungseffekt in der Mischzone von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften gemessen. Anhand eines Experiments konnte bestätigt werden, dass fluidrheologische Parameter (wie die Fluidviskosität) mit einem faseroptischen Messkabel quantifiziert werden können. Hierfür werden Fluidscherspannungen gemessen, welche durch das Fliessen von Fluiden an der Kabeloberfläche hervorgerufen werden (amtliches Zeichen zur Patentanmeldung: EP 19171265.2). DSS-Messungen erweiten das Verständnis von Fluidverdrängungsvorgängen in Bohrlöchern und ermöglichen eine Beurteilung von Komplettierungsvorgängen in Echtzeit. / Borehole integrity is fundamental for the successful and sustainable utilization of hydrocarbons, geothermal energy and sites for geological storage. The success of the primary well completion is necessary to ensure the integrity of a well over its lifetime. In particular, the casing cementation represents a great risk because many factors have an influence on the composition and distribution of the cement suspension due to the natural conditions in the borehole. This study investigates the monitoring potential of fiber-optic distributed strain sensing (DSS) using a measurement cable which is installed in the annulus of a well. Similar to distributed temperature sensing (DTS), which is used for temperature monitoring in industry applications for more than two decades, fibers additionally convey information about their mechanical stress state. Laboratory as well as analytical work was performed to quantify the effect of load changes on a fiber. In addition, the influence of complex multilayered downhole cable on the strain response is examined. The presented field data shows results from two stages of the well completion - the gravel packing and the cementation. Due to the difference in density of gravel and drilling fluid, a deformation is measured on the cable. The depth at which the stretching effect occurs correlates with wire-line gamma-gamma density data measured in the same time window. The subsequent compaction of the gravel head, which was not revealed by the logging measurement, was detected by the fiber optic cable in the form of an increasing mechanical load on the cable. During cement pumping, fluid shear stresses create a measurable load on the cable, especially in the mixing zone of liquids with dfferent rheological properties. Based on this observation, an experiment was designed and conducted which aims at measuring fluid rheological parameters such as fluid viscosity. For this purpose, the fluid shear stresses acting on the fiber optic sensing cable in the flow path are measured (patent application number: EP 19171265.2). DSS measurements extend the understanding of fluid displacements in wellbores and allow an assessment of well completion process in real time.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Ein zentraler Baustein zur Reduktion von CO2-Emissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie. Forschungsbedarf besteht dabei bei der ressourceneffizienten Herstellung der Turmstrukturen. Bei Nabenhöhen von über 100 Metern sind Hybridtürme aus vorgespannten Stahlbetonsegmenten die geeignetste Konstruktion. Hierfür ist jedoch eine genaue Kenntnis des Ermüdungsverhaltens von Beton erforderlich. In der Literatur existieren überwiegend Untersuchungen an kleinformatigen zylindrischen Probekörpern, deren Ergebnisse nur bedingt auf die großmaßstäblichen Bauteile übertragen werden können. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher zum einen Großversuche mit zyklisch biegebeanspruchten, vorgespannten Betonbalken sowie Begleitversuche an zylindrischen Probekörpern und zum anderen numerische Simulationen der Balkenversuche durchgeführt. Das numerische Materialmodell wurde aufbauend auf einem additiven Dehnungsmodell im Finite-Elemente-Programm ANSYS Mechanical in einem iterativen Berechnungsablauf implementiert. Die Betondehnungen setzen sich hierbei aus vier Anteilen zusammen, einem elastischen, einem plastischen, einem viskosen und einem Temperaturdehnungsanteil. Somit konnte der kombinierte Einfluss der Anteile auf das Ermüdungsverhalten von Beton dargestellt werden. In den Großversuchen konnte bei den Balkenprobekörpern ein Ermüdungsversagen der Betondruckzone erzeugt werden, das sich an dieser Stelle durch Risse parallel zur Drucknormalspannung sowie teilweises Abplatzen der Betondruckzone, die der größten Spannungsschwingbreite ausgesetzt war, einstellte. Es zeigte sich, dass dies erst nach deutlich mehr Lastwechseln eintrat als bei den axial beanspruchten Betonzylindern in den zyklischen Begleitversuchen mit derselben Spannungsschwingbreite. Dies ist auf die Spannungsumlagerung zurückzuführen, die im Querschnitt aufgrund der ermüdungsbedingten Materialdegradation und Steifigkeitsverringerung der stark beanspruchten Randbereiche stattfand. In den Begleitversuchen wurden die Materialparameter für das numerische Modell ermittelt, mit dem im Anschluss die Balkenversuche nachgerechnet wurden. Es konnten die in den Versuchen beobachteten Effekte der Steifigkeitsdegradation und Spannungsumlagerung und die daraus resultierende Lebensdauerverlängerung nachgebildet werden. Das Modell kann somit für weitergehende Lebensdaueruntersuchungen von ermüdungsbeanspruchten Betonbauteilen verwendet werden.:ABSCHLUSSBERICHT 1 Allgemeine Angaben 2 Zusammenfassung / Summary 3 Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 4 Veröffentlichte Projektergebnisse