@phdthesis{Cheng2021,
  author    = {Cheng, Chaojie},
  title     = {Transient permeability in porous and fractured sandstones mediated by fluid-rock interactions},
  doi       = {10.25932/publishup-51012},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510124},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XIV, 148},
  year      = {2021},
  abstract  = {Understanding the fluid transport properties of subsurface rocks is essential for a large number of geotechnical applications, such as hydrocarbon (oil/gas) exploitation, geological storage (CO2/fluids), and geothermal reservoir utilization. To date, the hydromechanically-dependent fluid flow patterns in porous media and single macroscopic rock fractures have received numerous investigations and are relatively well understood. In contrast, fluid-rock interactions, which may permanently affect rock permeability by reshaping the structure and changing connectivity of pore throats or fracture apertures, need to be further elaborated. This is of significant importance for improving the knowledge of the long-term evolution of rock transport properties and evaluating a reservoir' sustainability. The thesis focuses on geothermal energy utilization, e.g., seasonal heat storage in aquifers and enhanced geothermal systems, where single fluid flow in porous rocks and rock fracture networks under various pressure and temperature conditions dominates. In this experimental study, outcrop samples (i.e., Flechtinger sandstone, an illite-bearing Lower Permian rock, and Fontainebleau sandstone, consisting of pure quartz) were used for flow-through experiments under simulated hydrothermal conditions. The themes of the thesis are (1) the investigation of clay particle migration in intact Flechtinger sandstone and the coincident permeability damage upon cyclic temperature and fluid salinity variations; (2) the determination of hydro-mechanical properties of self-propping fractures in Flechtinger and Fontainebleau sandstones with different fracture features and contrasting mechanical properties; and (3) the investigation of the time-dependent fracture aperture evolution of Fontainebleau sandstone induced by fluid-rock interactions (i.e., predominantly pressure solution). Overall, the thesis aims to unravel the mechanisms of the instantaneous reduction (i.e., direct responses to thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) conditions) and progressively-cumulative changes (i.e., time-dependence) of rock transport properties. Permeability of intact Flechtinger sandstone samples was measured under each constant condition, where temperature (room temperature up to 145 °C) and fluid salinity (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) were stepwise changed. Mercury intrusion porosimetry (MIP), electron microprobe analysis (EMPA), and scanning electron microscopy (SEM) were performed to investigate the changes of local porosity, microstructures, and clay element contents before and after the experiments. The results indicate that the permeability of illite-bearing Flechtinger sandstones will be impaired by heating and exposure to low salinity pore fluids. The chemically induced permeability variations prove to be path-dependent concerning the applied succession of fluid salinity changes. The permeability decay induced by a temperature increase and a fluid salinity reduction operates by relatively independent mechanisms, i.e., thermo-mechanical and thermo-chemical effects. Further, the hydro-mechanical investigations of single macroscopic fractures (aligned, mismatched tensile fractures, and smooth saw-cut fractures) illustrate that a relative fracture wall offset could significantly increase fracture aperture and permeability, but the degree of increase depends on fracture surface roughness. X-ray computed tomography (CT) demonstrates that the contact area ratio after the pressure cycles is inversely correlated to the fracture offset. Moreover, rock mechanical properties, determining the strength of contact asperities, are crucial so that relatively harder rock (i.e., Fontainebleau sandstone) would have a higher self-propping potential for sustainable permeability during pressurization. This implies that self-propping rough fractures with a sufficient displacement are efficient pathways for fluid flow if the rock matrix is mechanically strong. Finally, two long-term flow-through experiments with Fontainebleau sandstone samples containing single fractures were conducted with an intermittent flow (~140 days) and continuous flow (~120 days), respectively. Permeability and fluid element concentrations were measured throughout the experiments. Permeability reduction occurred at the beginning stage when the stress was applied, while it converged at later stages, even under stressed conditions. Fluid chemistry and microstructure observations demonstrate that pressure solution governs the long-term fracture aperture deformation, with remarkable effects of the pore fluid (Si) concentration and the structure of contact grain boundaries. The retardation and the cessation of rock fracture deformation are mainly induced by the contact stress decrease due to contact area enlargement and a dissolved mass accumulation within the contact boundaries. This work implies that fracture closure under constant (pressure/stress and temperature) conditions is likely a spontaneous process, especially at the beginning stage after pressurization when the contact area is relatively small. In contrast, a contact area growth yields changes of fracture closure behavior due to the evolution of contact boundaries and concurrent changes in their diffusive properties. Fracture aperture and thus permeability will likely be sustainable in the long term if no other processes (e.g., mineral precipitations in the open void space) occur.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wolf2017,
  author    = {Wolf, Julia},
  title     = {Schadenserkennung in Beton durch {\"U}berwachung mit eingebetteten Ultraschallpr{\"u}fk{\"o}pfen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397363},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {ix, 142},
  year      = {2017},
  abstract  = {Die zerst{\"o}rungsfreien Pr{\"u}fungen von Bauwerken mit Hilfe von Ultraschallmessverfahren haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Durch Ultraschallmessungen k{\"o}nnen die Geometrien von Bauteilen bestimmt sowie von außen nicht sichtbare Fehler wie Delaminationen und Kiesnester erkannt werden. Mit neuartigen, in das Betonbauteil eingebetteten Ultraschallpr{\"u}fk{\"o}pfen sollen nun Bauwerke dauerhaft auf Ver{\"a}nderungen {\"u}berpr{\"u}ft werden. Dazu werden Ultraschallsignale direkt im Inneren eines Bauteils erzeugt, was die M{\"o}glichkeiten der herk{\"o}mmlichen Methoden der Bauwerks{\"u}berwachung wesentlich erweitert. Ein Ultraschallverfahren k{\"o}nnte mit eingebetteten Pr{\"u}fk{\"o}pfen ein Betonbauteil kontinuierlich integral {\"u}berwachen und damit auch stetig fortschreitende Gef{\"u}ge{\"a}nderungen, wie beispielsweise Mikrorisse, registrieren. Sicherheitsrelevante Bauteile, die nach dem Einbau f{\"u}r Messungen unzug{\"a}nglich oder mittels Ultraschall, beispielsweise durch zus{\"a}tzliche Beschichtungen der Oberfl{\"a}che, nicht pr{\"u}fbar sind, lassen sich mit eingebetteten Pr{\"u}fk{\"o}pfen {\"u}berwachen. An bereits vorhandenen Bauwerken k{\"o}nnen die Ultraschallpr{\"u}fk{\"o}pfe mithilfe von Bohrl{\"o}chern und speziellem Verpressm{\"o}rtel auch nachtr{\"a}glich in das Bauteil integriert werden. F{\"u}r Fertigbauteile bieten sich eingebettete Pr{\"u}fk{\"o}pfe zur Herstellungskontrolle sowie zur {\"U}berwachung der Baudurchf{\"u}hrung als Werkzeug der Qualit{\"a}tssicherung an. Auch die schnelle Schadensanalyse eines Bauwerks nach Naturkatastrophen, wie beispielsweise einem Erdbeben oder einer Flut, ist denkbar. Durch die gute Ankopplung erm{\"o}glichen diese neuartigen Pr{\"u}fk{\"o}pfe den Einsatz von empfindlichen Auswertungsmethoden, wie die Kreuzkorrelation, die Coda-Wellen-Interferometrie oder die Amplitudenauswertung, f{\"u}r die Signalanalyse. Bei regelm{\"a}ßigen Messungen k{\"o}nnen somit sich anbahnende Sch{\"a}den eines Bauwerks fr{\"u}hzeitig erkannt werden. Da die Sch{\"a}digung eines Bauwerks keine direkt messbare Gr{\"o}ße darstellt, erfordert eine eindeutige Schadenserkennung in der Regel die Messung mehrerer physikalischer Gr{\"o}ßen die geeignet verkn{\"u}pft werden. Physikalische Gr{\"o}ßen k{\"o}nnen sein: Ultraschalllaufzeit, Amplitude des Ultraschallsignals und Umgebungstemperatur. Dazu m{\"u}ssen Korrelationen zwischen dem Zustand des Bauwerks, den Umgebungsbedingungen und den Parametern des gemessenen Ultraschallsignals untersucht werden. In dieser Arbeit werden die neuartigen Pr{\"u}fk{\"o}pfe vorgestellt. Es wird beschrieben, dass sie sich, sowohl in bereits errichtete Betonbauwerke als auch in der Konstruktion befindliche, einbauen lassen. Experimentell wird gezeigt, dass die Pr{\"u}fk{\"o}pfe in mehreren Ebenen eingebettet sein k{\"o}nnen da ihre Abstrahlcharakteristik im Beton nahezu ungerichtet ist. Die Mittenfrequenz von rund 62 kHz erm{\"o}glicht Abst{\"a}nde, je nach Betonart und SRV, von mindestens 3 m zwischen Pr{\"u}fk{\"o}pfen die als Sender und Empf{\"a}nger arbeiten. Die Empfindlichkeit der eingebetteten Pr{\"u}fk{\"o}pfe gegen{\"u}ber Ver{\"a}nderungen im Beton wird an Hand von zwei Laborexperimenten gezeigt, einem Drei-Punkt-Biegeversuch und einem Versuch zur Erzeugung von Frost-Tau-Wechsel Sch{\"a}den. Die Ergebnisse werden mit anderen zerst{\"o}rungsfreien Pr{\"u}fverfahren verglichen. Es zeigt sich, dass die Pr{\"u}fk{\"o}pfe durch die Anwendung empfindlicher Auswertemethoden, auftretende Risse im Beton detektieren, bevor diese eine Gefahr f{\"u}r das Bauwerk darstellen. Abschließend werden Beispiele von Installation der neuartigen Ultraschallpr{\"u}fk{\"o}pfe in realen Bauteilen, zwei Br{\"u}cken und einem Fundament, gezeigt und basierend auf dort gewonnenen ersten Erfahrungen ein Konzept f{\"u}r die Umsetzung einer Langzeit{\"u}berwachung aufgestellt.},
  language  = {de}
}