Authors:	Ghani, Irfan
Title:	Dynamic development of hydrofractures
Online publication date:	28-Oct-2013
Year of first publication:	2013
Language:	english
Abstract:	Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen. Fluid driven natural hydrofracturing is a prevalent and significant deformation process occurring at all depths of the Earth- crust. It imparts strong bearing on the evolution of effective permeability and fluid transport at a wide range of scales by developing hydraulic connectivity. The process is dynamic and complex, it is dynamic as it involves strong coalescence of brittle deformation and hydraulic evolution with respect to the active hydraulic and tectonic loadings, and the complexity arises from the potential poroelastic response to the pressure field and fracture growth upon volume change. The formation of a hydrofracture is composed of three stages: 1) initiation and nucleation, 2) time dependent quasi-static growth as long as fluid pressure heads the rock- tensile strength, 3) and during propagation its containment or reorientation at layers contacts with contrasting mechanical and sedimentary properties in heterogeneous rocks. In addition, the course of fracture growth is also strongly affected by the background anisotropy i.e., pre-existing micro cracks in natural rocks. Fracture propagation pathways can either be formed by gradually linking up low strength discontinuities ahead of the fracture tip or they can be terminate or abut when the fracture encounters discontinuities of high strength. Such interaction results in fracture networks of complicate geometries, reflecting complex local deformation histories and the dynamics of the driving physical mechanisms.rnrnNatural hydrofracturing has important implications for research and private sectors in various fields of Geoscience. Since the mid twentieth century controlled hydraulic fracturing has been implemented intensively for the permeability stimulation in oil and gas reservoirs. Field observations, isotopic studies, laboratory experiments and numerical analysis reveal the critical role of pore fluid pressure gradients in conjunction with the poroelastic effects as main driving forces to manipulate the local state of stress and the conditions of hydrofracture formation and propagation. Most of the presented numerical hydro-mechanical models account coupling between fracturing fluid and growing fractures by presuming predefined fracture geometry with constant fluid pressure in a homogeneous and isotropic elastic medium for the sake of keeping the problem computationally tractable. However, natural rocks are seldom that simple, hence these models are generally not efficient to analyze this complex process and neglect the real aspect of poroelastic effects and its influence on intimate fluid-solid coupling i.e., pore pressure evolution and failure behavior or vice versa.rnrnIn this work, a two-dimensional coupled poro-elasto-plastic model is presented for the qualitative and to some extent quantitative analysis of the role of localized or homogenously developed seepage forces on the dynamic propagation of hydrofractures and the concurrent evolution of effective permeability. The numerical program is computationally efficient and takes its robustness from the use of a simple Darcy based pressure diffusion equation sans redundant components in the description of the fluid dynamics. This also exhibits Biot- compressibility in the porous rocks and is implemented to address the controlling conditions for the mechanics of hydrofracturing corresponding to pore fluid pressure gradients in specified geological scenarios i.e., mechanically and hydraulically homogeneous and heterogeneous sedimentary sequences. Results reveal that fluid pressure gradients in confined sediments introduce local perturbation in the background stress field. Depending on the boundary conditions it may also promote permutation of principal stress tensors to eventually provoke reorientation of propagating hydrofractures. With effects on the local stress state high pressure gradients may also cause bedding parallel fracturing or slippage in undrain heterogeneous media. An example of particular interest is accretionary wedging, where the highly dynamic nature of tectonic activity together with extreme pore pressure causes intensive local perturbation in stress fields which subsequently result in complex structural evolution including vertical and horizontal hydrofracture networks. Likewise, transport properties of rocks are strongly influenced by the dynamics in the evolution of local permeability by dilation fractures and faulting. It is shown that there may possibly be a strong correlation between the formation of normal faulting and large scale fluid migration. rnrnThe consistency between the simulated results with previous experimental and numerical results suggests that the described numerical procedure is worthy of simulating qualitative dynamic aspects of hydrofractures. However, there are some drawbacks in the scheme when attempting to analysis the fluid flow or drainage through the induced fracture planes quantitatively in deformed rocks. In addition, the coupling with thermo-chemical evolution is recommended to extend the presented scheme further in order to study vein growth problems in dynamically developed hydrofractures.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1763
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-35438
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	89 S.
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