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Fault zones in potential geothermal reservoir rocks in the Upper Rhine Graben: Characteristics, permeability implications, and numerical stress field models

dc.contributor.advisorPhilipp, Sonja L. Prof. Dr.
dc.contributor.authorMeier, Silke
dc.date.accessioned2016-07-26T08:06:36Z
dc.date.available2016-07-26T08:06:36Z
dc.date.issued2016-07-26
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-87D5-5
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5767
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5767
dc.description.abstractStörungszonen in den karbonatischen Wechselfolgen des Muschelkalks (Mittlere Trias) sind potenzielle Ziele für hydrothermale Projekte im Oberrheingraben (ORG). Es wurden verschiedene Methoden miteinander kombiniert, um die Permeabilitäts-Strukturen solcher Störungszonen, deren Spannungszustände und lokale Spannungsfelder abzuschätzen. Diese Arbeit kann damit zur Exploration von störungsgebundenen Muschelkalk-Reservoiren im ORG beitragen. Sie vergleicht diese mit einem bereits erfolgreich getesteten (störungsgebundenen) hydrothermalen Reservoir, den Sandsteinen des Buntsandsteins. Um für den Muschelkalk die Charakteristika von Störungszonen zu definieren und die zugehörige Permeabilitätsstruktur abzuschätzen, wurden verschiedene Störungszonentypen (z.B. Abschiebungen, invertierte Störungszonen, Schrägabschiebung) mit unterschiedlichen Maßstäben (Versatz: mittel-skalig 1-10 m, groß-skalig >10 m) detailliert untersucht. Eine Aufschlussanalogstudie zu einer groß-skaligen Störungszone (Schrägabschiebung) in dickbankigen Sandsteinen (Buntsandstein, Untere Trias) wurde zum Vergleich herangezogen. Der besondere Schwerpunkt lag jeweils auf der Charakterisierung von Bruchzone und Störungskern sowie des assoziierten Bruchsystems (Bruchdichte, Öffnungsweitenverteilung, Vernetzungsgrad, vertikale Ausdehnung). Die Daten zeigen, dass Bruchsysteme in eher homogenen Einheiten einen positiven Effekt auf die Reservoir-Permeabilität haben. Sie bieten, vor allem in der Nähe des Störungskerns, potenzielle Fließwege auch über mehrere Schichten und zeigen eine starke Vernetzung zwischen vergleichsweise kurzen Brüchen. Im Gegensatz dazu scheinen störungsgebundene Bruchsysteme in Einheiten mit einer starken mechanischen Schichtung einen geringeren Einfluss auf die Reservoirpermeabilität zu haben. Störungskerne zeigen stellenweise eine signifikante Komplexität, da sie vor allem abdichtende aber stellenweise auch durchlässige Strukturen aufweisen. Groß-skalige Störungszonen (im Reservoir-Maßstab) lassen sich für beide potenzielle Reservoirhorizonte am besten als kombinierte Barriere-Leiter-Systeme beschreiben. Diese Barriere-Leiter-Systeme zeichnen sich durch ein potenziell hydraulisch durchlässiges Bruchsystem in der Bruchzone (und im Buntsandstein zusätzlich in der Übergangszone) sowie einen schwach durchlässigen bis abdichtenden Störungskern aus. Um die Kenntnisse zum lokalen Spannungsfeld in Störungszonen im geschichteten Muschelkalk (Reservoirtiefe: 2.900 m) zu verbessern, wurden mit der Finite-Elemente-Software COMSOL Multiphysics® numerische 3D-Modelle erstellt. Es wurden deutliche Unterschiede des lokalen Spannungsfelds in Abhängigkeit von (1) der Orientierung, (2) dem Einfluss der maximalen Horizontalspannung SH im Spannungsregime, (3) Störungszonen-Maßstab und (4) den Kontrasten der mechanischen Eigenschaften festgestellt. In Spannungsregimen mit starker horizontaler Kompression wurde für Spannungsmagnituden und Versatz eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der Störungszone festgestellt. Vor allem groß-skalige Störungszonen mit einem 30°-Winkel zu SH scheinen einen SH-induzierten Horizontalversatz innerhalb weicher Störungszoneneinheiten zu begünstigen; in dieser wurden die höchsten Versatzbeträge festgestellt. Die typische Abnahme von Spannungsmagnituden in weicheren Störungszoneneinheiten verringert sich in Richtung von Störungszonen, die senkrecht zu SH streichen. Der Einfluss der mechanischen Schichtung steigt mit zunehmender horizontaler Kompression, was zu einem vertikal heterogenen Spannungsfeld führt. Um Annahmen zu einer möglichen hydraulischen Aktivität einer Störungszone zu treffen, werden für die untersuchten Störungszonen analytische Abschätzungen zu Bewegungs- und Dehnungstendenzen unter Reservoir-Bedingungen präsentiert. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Spannungszustände der analysierten Störungszonen, die auf das rezente Übergangsregime sowie unterschiedliche Orientierungen der maximalen Horizontalspannungen SH zurückzuführen sind. In dieser Arbeit präsentierte Ergebnisse von Aufschlussanalogstudien helfen dabei, fundierte Annahmen zur Permeabilitätsstruktur von Störungszonen zu treffen und damit vielversprechende Bohrziele im ORG zu definieren. In diesem Zusammenhang konnten sedimentäre Wechselfolgen identifiziert werden, die als potenzielle geothermische Reservoire ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse der numerischen 3D-Modellierungen können dazu beitragen, möglicherweise nötige Stimulationsmaßnahmen im Muschelkalk Reservoir optimal auszulegen. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse die Möglichkeit, Einblick in potenzielle Probleme während der Bohrungsherstellung in Muschelkalk-Reservoiren zu bekommen, wie zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit eines vertikal heterogenen Spannungsfeldes.de
dc.language.isoengde
dc.relation.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc910de
dc.subject.ddc550de
dc.titleFault zones in potential geothermal reservoir rocks in the Upper Rhine Graben: Characteristics, permeability implications, and numerical stress field modelsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereePhilipp, Sonja L. Prof. Dr.
dc.date.examination2016-05-03
dc.description.abstractengFault zones in carbonate successions of the Middle Triassic Muschelkalk are potential target structures of hydrothermal projects in the Upper Rhine Graben (URG). A mixed-method approach was applied to make assumptions on fault-zone permeability structures, stress states and local stress fields. This thesis contributes to exploration of fault-related Muschelkalk reservoirs in the URG and draws comparison with the already successfully tested hydrothermal reservoir of the Lower Triassic Bunter sandstone. To define fault-zone characteristics and estimate related permeability structures in Muschelkalk rocks, fault zones of different types (e.g., normal, inverted, oblique-slip) and different scales (displacement: medium-scale: 1-10 m; large-scale >10 m) were analyzed in detail. The outcrop analogue study of one large-scale fault zone in thick-bedded sandstones of Bunter age provided the opportunity for comparison. Special emphasis in both sedimentary successions was given to damage-zone and fault-core characteristics as well as to characteristics of associated fracture systems (e.g., density, aperture distribution, connectivity, vertical extension). Fracture systems formed in rather homogenous units have a positive effect on reservoir permeability. They may provide, in particular in proximity to the fault core, potential fluid pathways across multiple layers and enhanced fracture connectivity of comparatively short fractures. In contrast, fracture systems in strongly mechanically layered units may have less impact on reservoir permeability. Fault cores show partially significant complexity, comprising mainly sealing, but also conductive structures. Large-scale fault zones, i.e., in reservoir-scale, in both potential reservoir units are best described as combined conduit-barrier systems. They show potentially conductive fracture systems in damage zones (and additionally in Bunter: transition zone) and a low-permeable to sealing fault core. To improve knowledge about fault-zone local stress fields within the layered Muschelkalk reservoir (reservoir depth: 2.900 m) 3D-numerical models were developed, using the finite element software COMSOL Multiphysics®. Pronounced differences in local stress fields occur, depending on (1) orientation, (2) impact of maximum horizontal stress SH, (3) fault-zone scale and (4) contrasts in rock-mechanical properties. Clear dependency of fault-zone orientation on stress magnitude and displacement follows for stress regimes with high horizontal compression. In particular, large-scale fault-zones at 30° to SH may be favorable for SH-induced horizontal displacement within soft fault-zone units since highest displacement-values occur. Decrease of stress magnitudes in soft fault rocks diminishes towards fault zones oriented perpendicular to SH. Impact of mechanical layering increases with increasing horizontal compression, resulting in vertically heterogeneous stress fields. To make assumptions on the hydraulic activities of fault zones, analytical estimations on slip and dilation tendencies for analyzed fault zones at reservoir conditions are presented. Results reveal stress state variations of each fault zone, attributed to the current transitional stress regime and varying orientations of the maximum horizontal stress SH. Results of presented outcrop analogue studies help to make profound assumptions on fault-zone permeability structures and thus to define promising drilling targets in the URG. In this context, sedimentary successions were found which can be excluded as potential geothermal reservoirs. Findings of 3D-numerical models could help to support the strategy of possibly needed stimulation treatments in the Muschelkalk reservoir. Moreover, results of this thesis gain insights on potential problems during the drilling operation in Muschelkalk reservoirs, e.g., the likelihood of a vertically heterogeneous stress field.de
dc.contributor.coRefereeSauter, Martin Prof. Dr.
dc.subject.engFault zonede
dc.subject.engFault zone permeabilityde
dc.subject.engUpper Rhine Grabende
dc.subject.engFractured reservoirde
dc.subject.engNumerical stress field modelsde
dc.subject.engGeothermal explorationde
dc.subject.engOutcrop analogue studyde
dc.subject.engFault zone internal structurede
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0028-87D5-5-9
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullGeologische Wissenschaften (PPN62504584X)de
dc.identifier.ppn863978002


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