Schichtung und Störungszonen sind typische Phänomene in Sedimentbecken wie dem Nordwestdeutschen Becken. Diese Gesteinsheterogenitäten können großen Einfluss auf viele verschiedene Fragestellungen im Zusammenhang mit der Exploration, dem Bohren und der hydraulischen Stimulation des geothermischen Reservoirs haben. Diese Doktorarbeit liefert Aussagen und Ansätze, wie hoch aufgelöste Daten, die in Aufschlüssen erhoben wurden, für eine verbesserte Vorhersage des Störungszonenaufbaus und der gesteinsmechanischen Eigenschaften in größeren Tiefen verwendet werden können.
Um den Aufbau von Störungszonen und assoziierten Bruchsystemen in Sedimentgesteinen besser zu verstehen, wurden 58 Abschiebungen im Aufschlussmaßstab detailliert analysiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Analyse von Bruchorientierung, -dichte, -öffnungsweite und -länge – jeweils getrennt betrachtet für Bruchzone und Nebengestein – sowie auf den strukturellen Indizes. Es konnten deutliche Unterschiede zwischen karbonatischen und klastischen Gesteinen festgestellt werden: in karbonatischen Gesteinen treten häufig ausgeprägte Bruchzonen mit erhöhten Bruchdichten auf. Während die maximale Öffnungsweite für beide Einheiten ähnlich ist, ist der Anteil an Brüchen mit großen Öffnungsweiten in der Bruchzone deutlich größer als im Nebengestein. In Karbonatgesteinen kann die Bruchorientierung in der Bruchzone stark von der im Nebengestein abweichen. In klastischen Gesteinen dagegen sind in beiden Einheiten ähnliche Bruchorientierungen zu finden. Die Auswertung der strukturellen Indizes zeigt, dass Abschiebungen in Karbonatgesteinen eher bruchzonen-dominiert sind als solche in klastischen Gesteinen und folglich größeren positiven Einfluss auf die Reservoirpermeabilität haben. Auf Basis der bestimmten Bruchdichtenverteilungen und Elastizitätsmoduli wurden effektive Steifigkeiten Ee innerhalb der Abschiebungen berechnet. Dabei zeigen Bruchzonen in klastischen Gesteinen eine deutlich geringere Abnahme der Steifigkeiten als solche in Karbonatgesteinen.
Um die Kenntnisse über Eigenschaften typischer Gesteine im Nordwestdeutschen Becken zu erweitern, wurden physikalische (Vp-Geschwindigkeit, Porosität, Rohdichte und Korndichte) und gesteinsmechanische Parameter (Einaxiale Druckfestigkeit [UCS], Elastizitätsmodul, Zerstörungsarbeit und Zugfestigkeit; jeweils parallel und senkrecht zur sedimentären Schichtung) an 35 Gesteinsproben aus Aufschlüssen und 14 Bohrkernproben bestimmt. Für einen Teil dieser Proben (eine Vulkanit- sowie jeweils drei Sandstein- und Kalksteinproben) wurden Triaxialmessungen durchgeführt. Da Bohrkernmaterial selten ist, war es Ziel dieser Arbeit, die in-situ-Gesteinseigenschaften anhand von Aufschlussproben vorherzusagen. Die Eigenschaften von Proben aus größeren Tiefen werden dann mit denen äquivalenter Proben verglichen, d.h. Bohrkern und äquivalente Aufschlussprobe haben das gleiche stratigraphische Alter und eine vergleichbare sedimentäre Fazies. Die Äquivalenz der Proben wurde anhand von Dünnschliffen sichergestellt. Empirische Beziehungen bzw. Korrelationen zwischen UCS und allen physikalischen und geomechanischen Parametern wurden mit Regressionsanalysen bestimmt, jeweils lithologisch getrennt für alle Proben (inkl. Bohrkerne) und nur für Aufschlussproben. Die meisten Korrelationen haben ein hohes Bestimmtheitsmaß; die Ergebnisse der Bohrkerne liegen meist innerhalb der 90% Prognosebänder der Korrelationen, die für Aufschlussproben berechnet wurden. Auf ähnliche Weise wurden anhand von mehreren Triaxialmessungen pro Probe linearisierte Mohr-Coulomb Versagenskriterien bestimmt, die sowohl in Hauptnormalspannungen als auch in Normal- und Scherspannungen angegeben werden. Ein Vergleich zeigt, dass es zwar für Klastika und Vulkanite aus Aufschlüssen möglich ist, Versagenskriterien, die in Hauptnormalspannungen ausgedrückt werden, auf Bohrkernproben anzuwenden, aber nicht für Karbonate. Sind die Versagenskriterien allerdings in Normal- und Scherspannungen angegeben, ist die Anwendbarkeit für alle Gesteinsarten gut. Eine Übertragbarkeit der empirischen Beziehungen auf die Tiefe wird abgeleitet. Die wichtigsten Parameter, um die Anwendbarkeit der Aufschlussdaten zu gewährleisten, sind eine vergleichbare Textur und eine ähnliche Porosität von Äquivalenzproben aus Steinbrüchen und Bohrkernproben.
Die Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation von heterogenen Gesteinen wurde mit dem Programm FRACOD analysiert. Es wurden numerische Modelle erstellt, die für das NWGB charakteristisch sind und die sowohl geschichtete Abfolgen als auch bereits existierende Brüche berücksichtigen. Die Ergebnisse der Untersuchung von Bruchsystemen in Störungszonen und die gemessenen gesteinsmechanischen Eigenschaften werden als Eingangsparameter verwendet. Die Modellierung zeigt, dass ein großer mechanischer Kontrast zwischen einzelnen Schichten bezüglich Elastizitätsmodul und Poissonkoeffizient geringeren Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des Bruches hat, als stark unterschiedliche Bruchzähigkeiten. Werden bereits existierende Brüche in das Modell eingebaut, zeigt sich eine starke Wechselwirkung mit dem induzierten Hydrobruch.
Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind von vielfältigem Nutzen. Erstens helfen die Daten bei der Exploration von geothermischen Reservoiren in Störungszonen mit hohen natürlichen Permeabilitäten. Zweitens liefern die Ergebnisse der Labormessungen Aussagen und Ansätze, wie man die mechanischen Gesteinseigenschaften in größeren Tiefen anhand von Aufschlussproben vorhersagen und sie als Eingangsparameter für zukünftige numerische Modellierungen zu geothermischen Fragestellungen heranziehen kann. Außerdem liefert die numerische Modellierung der Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation in heterogenen Gesteinen Einblicke in die relevanten Parameter, die Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des induzierten Bruches haben. Dieses Wissen wird dabei helfen, die hydraulische Stimulation an die jeweiligen Reservoirbedingungen anzupassen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0023-98FA-1 |
| Date | 24 October 2013 |
| Creators | Reyer, Dorothea |
| Contributors | Philipp, Sonja L. Prof. Dr. |
| Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis |
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