The search result changed since you submitted your search request. Documents might be displayed in a different sort order.
  • search hit 2 of 1718
Back to Result List

The mechanical behavior of shales

Das mechanische Verhalten von Schiefergesteinen

  • The thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recoveredThe thesis comprises three experimental studies, which were carried out to unravel the short- as well as the long-term mechanical properties of shale rocks. Short-term mechanical properties such as compressive strength and Young’s modulus were taken from recorded stress-strain curves of constant strain rate tests. Long-term mechanical properties are represented by the time– dependent creep behavior of shales. This was obtained from constant stress experiments, where the test duration ranged from a couple minutes up to two weeks. A profound knowledge of the mechanical behavior of shales is crucial to reliably estimate the potential of a shale reservoir for an economical and sustainable extraction of hydrocarbons (HC). In addition, healing of clay-rich forming cap rocks involving creep and compaction is important for underground storage of carbon dioxide and nuclear waste. Chapter 1 introduces general aspects of the research topic at hand and highlights the motivation for conducting this study. At present, a shift from energy recovered from conventional resources e.g., coal towards energy provided by renewable resources such as wind or water is a big challenge. Gas recovered from unconventional reservoirs (shale plays) is considered a potential bridge technology. In Chapter 2, short-term mechanical properties of two European mature shale rocks are presented, which were determined from constant strain rate experiments performed at ambient and in situ deformation conditions (confining pressure, pc ≤ 100 MPa, temperature, T ≤ 125 °C, representing pc, T - conditions at < 4 km depth) using a Paterson– type gas deformation apparatus. The investigated shales were mainly from drill core material of Posidonia (Germany) shale and weathered material of Bowland (United Kingdom) shale. The results are compared with mechanical properties of North American shales. Triaxial compression tests performed perpendicular to bedding revealed semibrittle deformation behavior of Posidonia shale with pronounced inelastic deformation. This is in contrast to Bowland shale samples that deformed brittle and displayed predominantly elastic deformation. The static Young’s modulus, E, and triaxial compressive strength, σTCS, determined from recorded stress-strain curves strongly depended on the applied confining pressure and sample composition, whereas the influence of temperature and strain rate on E and σTCS was minor. Shales with larger amounts of weak minerals (clay, mica, total organic carbon) yielded decreasing E and σTCS. This may be related to a shift from deformation supported by a load-bearing framework of hard phases (e.g., quartz) towards deformation of interconnected weak minerals, particularly for higher fractions of about 25 – 30 vol% weak phases. Comparing mechanical properties determined at reservoir conditions with mechanical data applying effective medium theories revealed that E and σTCS of Posidonia and Bowland shale are close to the lower (Reuss) bound. Brittleness B is often quoted as a measure indicating the response of a shale formation to stimulation and economic production. The brittleness, B, of Posidonia and Bowland shale, estimated from E, is in good agreement with the experimental results. This correlation may be useful to predict B from sonic logs, from which the (dynamic) Young’s modulus can be retrieved. Chapter 3 presents a study of the long-term creep properties of an immature Posidonia shale. Constant stress experiments (σ = const.) were performed at elevated confining pressures (pc = 50 – 200 MPa) and temperatures (T = 50 – 200 °C) to simulate reservoir pc, T - conditions. The Posidonia shale samples were acquired from a quarry in South Germany. At stresses below ≈ 84 % compressive strength of Posidonia shale, at high temperature and low confining pressure, samples showed pronounced transient (primary) creep with high deformation rates in the semibrittle regime. Sample deformation was mainly accommodated by creep of weak sample constituents and pore space reduction. An empirical power law relation between strain and time, which also accounts for the influence of pc, T and σ on creep strain was formulated to describe the primary creep phase. Extrapolation of the results to a creep period of several years, which is the typical time interval for a large production decline, suggest that fracture closure is unlikely at low stresses. At high stresses as expected for example at the contact between the fracture surfaces and proppants added during stimulation measures, subcritical crack growth may lead to secondary and tertiary creep. An empirical power law is suggested to describe secondary creep of shale rocks as a function of stress, pressure and temperature. The predicted closure rates agree with typical production decline curves recorded during the extraction of hydrocarbons. At the investigated conditions, the creep behavior of Posidonia shale was found to correlate with brittleness, calculated from sample composition. In Chapter 4 the creep properties of mature Posidonia and Bowland shales are presented. The observed long-term creep behavior is compared to the short-term behavior determined in Chapter 2. Creep experiments were performed at simulated reservoir conditions of pc = 50 – 115 MPa and T = 75 – 150 °C. Similar to the mechanical response of immature Posidonia shale samples investigated in Chapter 3, creep strain rates of mature Bowland and Posidonia shales were enhanced with increasing stress and temperature and decreasing confining pressures. Depending on applied deformation conditions, samples displayed either only a primary (decelerating) or in addition also a secondary (quasi-steady state) and subsequently a tertiary (accelerating) creep phase before failure. At the same deformation conditions, creep strain of Posidonia shale, which is rich in weak constituents, is tremendously higher than of quartz-rich Bowland shale. Typically, primary creep strain is again mostly accommodated by deformation of weak minerals and local pore space reduction. At the onset of tertiary creep most of the deformation was accommodated by micro crack growth. A power law was used to characterize the primary creep phase of Posidonia and Bowland shale. Primary creep strain of shale rocks is inversely correlated to triaxial compressive strength and brittleness, as described in Chapter 2. Chapter 5 provides a synthesis of the experimental findings and summarizes the major results of the studies presented in Chapters 2 – 4 and potential applications in the Exploration & Production industry. Chapter 6 gives a brief outlook on potential future experimental research that would help to further improve our understanding of processes leading to fracture closure involving proppant embedment in unconventional shale gas reservoirs. Such insights may allow to improve stimulation techniques aimed at maintaining economical extraction of hydrocarbons over several years.show moreshow less
  • Die vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf dieDie vorliegende Dissertation befasst sich mit drei separaten, experimentellen Studien, die durchgeführt wurden, um die mechanischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen zu untersuchen. Dabei wurden die aufgezeichneten Spannungs-Verformungskurven von kurzzeitigen (wenige Minuten) Deformationsexperimenten bei konstanter Verformungsrate genutzt, um mechanische Druckfestigkeit und elastische Parameter zu bestimmen. Um die zeitabhängigen Kriecheigenschaften zu charakterisieren, wurden Deformationstests bei konstanter Spannung durchgeführt. Hier variierte die Testdauer zwischen wenigen Minuten und zwei Wochen. Ein verbesserter Kenntnisstand auf diesem Gebiet ist notwendig, um das Potential eines unkonventionellen Schiefergesteinsreservoirs im Hinblick auf eine wirtschaftliche und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen zuverlässig abzuschätzen. Im ersten Kapitel wird eine allgemeine Einleitung in das Thema der Dissertation gegeben, wobei im Besonderen auf die Motivation für die vorliegende Studie eingegangen wird. Die Einleitung fokussiert sich dabei auf die aktuell vorherrschende Herausforderung, die Energieversorgung durch konventionelle Ressourcen, wie beispielsweise Kohle, durch regenerative Ressourcen, wie z.B. Wind oder Wasser, zu ersetzen. Üblicherweise wird der Energiezeugung aus unkonventionell gewonnenem Erdgas dabei die Rolle einer Brückentechnologie zugewiesen. Die Motivation zur Durchführung dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten von Gasschiefern zu untersuchen, die auch in Europa einen substantiellen Beitrag zur Gasförderung liefern können. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die exemplarisch auf die Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von zwei reifen, europäischen Schiefergesteinen abzielen. Dazu wurden in einer Gasdruckapparatur Deformationsexperimente an Proben durchgeführt die senkrecht zur Schichtung orientiert entnommen wurden. Die Versuche wurden bei konstanter Verformungsrate und bei nachgestellten in situ Umgebungsbedingungen bis etwa 4 km Tiefe durchgeführt (Manteldruck, pc ≤ 100 MPa, Temperatur, T ≤ 125 °C). Die untersuchten Schieferproben stammen hauptsächlich aus Kernmaterial von erbohrtem Posidonienschiefer aus Niedersachsen und aus englischen Bowlandschiefer, das aus natürlichen Aufschlüssen gewonnen wurde. Zusätzlich wurden einige nordamerikanische Schieferproben zum Vergleich untersucht. Die triaxialen Kompressionstests zeigen ein semi-sprödes Deformationsverhalten mit ausgeprägter inelastischer Verformung des untersuchten Posidonienschiefers, wohingegen sich Bowlandschiefer spröde und bis zum Bruch vorzugsweise elastisch verformt. Der Elastizitätsmodul, E, und die Druckfestigkeit, σTCS, weisen bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine starke Abhängigkeit vom Manteldruck und der Gesteinsmineralogie auf. Der Einfluss von Temperatur und Verformungsrate auf E und σTCS ist dagegen vernachlässigbar. Mit ansteigendem Anteil an mechanisch weichen Mineralphasen, z.B. Ton, Glimmer und organisch gebundenem Kohlenstoff, nehmen E und σTCS der untersuchten Schiefergesteine ab. Dies ist durch eine verändertes Verformungsverhalten begründet, das von der Deformation eines lasttragenden Gerüstes aus mechanisch festen Mineralen, wie beispielsweise Quarz, bis zu einer Verformung von miteinander verbundenen mechanisch weichen Mineralen reicht. Der Übergang wurde ab einem Volumenanteil von etwa 25 – 30 vol% weicher Mineralphasen beobachtet. Beim Vergleich der experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften (E, σTCS) mit Vorhersagen, in denen die Zusammensetzung der Schiefer berücksichtigt wird (effective medium theories, Voigt-Reuss Grenzen) ist erkennbar, dass E und σTCS nahe an der unteren (Reuss) Grenze liegen. Die aus dem Elastizitätsmodul berechnete Sprödfestigkeit (brittleness, B) von Posidonien- und Bowlandschiefer stimmt gut mit dem gemessenen Spannungs-Verformungsverhalten überein. Die Sprödfestigkeit eines Gesteins wird oft als Indiz zur Abschätzung des möglichen Erfolges von Stimulationsmaßnahmen betrachtet. Daher ist der Zusammenhang zwischen elastischen Eigenschaften, die sich mit Ultraschallmessungen (sonic-log) in Bohrungen abschätzen lassen und dem mechanischen Verhalten von Gasschiefern für eine schnelle und kostengünstige Beurteilung wichtig. Im dritten Kapitel werden die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen untersucht. Dafür wurden Deformationsexperimente bei konstanter Spannung (σ = konst.) und erhöhten Umlagerungsdrücken (pc = 50 – 200 MPa) und Temperaturen (T = 50 – 200 °C) an einem unreifen Posidonienschiefer, welcher in einem aktiven Steinbruch in Süddeutschland gewonnen wurde, durchgeführt. Bei Spannungen unterhalb ≈ 84 % der Druckfestigkeit des Schiefers und hohen Temperaturen und niedrigen Manteldrücken zeigen die deformierten Schieferproben transientes (primäres) Kriechen im semi-spröden Regime mit relativ hohen Verformungsraten. Der größte Teil der Deformation wird dabei durch die Verformung von mechanisch weichen Mineralphasen und Porenraumreduktion aufgenommen. Ein empirisches Potenzgesetz wurde aufgestellt, um die zeitabhängige primäre Kriechphase in Abhängigkeit von Manteldruck, Temperatur und Spannung zu charakterisieren. Dabei wurde festgestellt, dass ein mögliches Rissschließen über einen typischen Zeitraum von wenigen Jahren bei der Annahme von ausschließlich primären Kriechen unwahrscheinlich ist. Typischerweise entstehen an den Kotaktflächen zwischen hydraulisch stimulierten Rissen innerhalb der Schieferformation und dem Stützmittel, welches dem Stimulationsfluid hinzugefügt wird, um offene Risse aufrecht zu erhalten, hohe Differentialspannungen. Dadurch kann zusätzliches (subkritisches) Risswachstum initiiert werden, welches bei den untersuchten Proben unter hoher Differentialspannung zusätzlich zum primären auch zum sekundären und tertiären Kriechen bis zum Versagen der Probe führte. Bei Verwendung eines empirischen Potenzgesetzes zur Beschreibung der sekundären Kriechphase kann eine, im Vergleich zur primären Kriechregime, substanziell höhere Rissschließungsrate abgeschätzt werden. Diese erscheint wesentlich zuverlässiger, da sie mit den Zeiträumen typische gemessener Produktionsrückgänge einer Bohrung übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine inverse Korrelation zwischen gemessener Verformung und Sprödigkeit, basierend auf der Schiefermineralogie, festgestellt. In Kapitel 4 werden weiterführende Untersuchungen vorgestellt, in dem die Kriecheigenschaften von reifem Posidonien-und Bowlandschiefer gemessen und mit den mechanischen Eigenschaften, bestimmt in Kurzzeit-Deformationsversuchen bei konstanter Verformungsrate (Kapitel 2) verglichen werden. Dafür wurden Kriechversuche an Posidonien- und Bowlandschiefermaterial, wie in Kapitel 2 beschrieben, bei simulierten Reservoirdrücken und -temperaturen durchgeführt (pc = 50 – 115 MPa, T = 75 – 150 °C). Auch für diese Schiefergesteine wurde eine erhöhte Verformung bei erhöhten Spannungen und Temperaturen und niedrigen Manteldrücken gemessen. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Deformationsbedingungen wiesen die Proben beider Schiefergesteine entweder nur eine primäre oder zusätzlichen zur primären auch eine sekundäre und tertiäre Kriechphase auf. Bei gleichem Umlagerungsdruck und gleicher Temperatur erwies sich der tonreiche Posidonienschiefer als deutlich weniger fest als der quarzreiche Bowlandschiefer. Während der Großteil der Deformation in der primären Kriechphase durch die Verformung von weichen Mineralen und Porenraumreduktion aufgefangen wurde, ist eine Mikrorissbildung bezeichnend für das tertiäre Kriechen. Um das primäre Kriechverhalten der unterschiedlichen Schiefergesteine zu charakterisieren, wurde auch hier ein Potenzgesetz genutzt, welches einen Vergleich mit den Kriecheigenschaften anderer Schiefergesteinen erlaubt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine deutliche inverse Korrelation zwischen primärer Verformung und der gemessenen Druckfestigkeit und der berechneten Sprödigkeit. Dies ermöglicht es die Langzeit-Kriecheigenschaften von Schiefergesteinen mit den, aus einem Kurzzeittest gemessenen, mechanischen Eigenschaften grob abzuschätzen, solange die angenommen Zeitintervalle zwischen zwei Stimulationsoperationen in dem in der Praxis typischen Zeitintervall von einigen Jahren liegt. Im fünften Kapitel werden die erzielten Ergebnisse nochmals im Zusammenhang dargestellt. Hier wird im Besonderen auf eine potentielle Anwendung der Ergebnisse in der E & P - Industrie eingegangen. Abschließend wird im sechsten Kapitel auf mögliche Experimente eingegangen, die zukünftig durchgeführt werden könnten, um unser Verständnis in Bezug auf die spannungsinduzierte Rissschließung in Schieferlagerstätten durch die Einbettung der Stützmittel in die Formation zu verbessern. Diese Erkenntnisse wären wiederum hilfreich, um eine ökonomische und nachhaltige Förderung von Kohlenwasserstoffen von stimulierten Bohrungen zu gewährleisten, die in unkonventionelle Lagerstätten abgeteuft wurden.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Johannes Herrmann
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429683
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42968
Referee:Heinz KonietzkyORCiDGND
Advisor:Georg Dresen, Michael Alber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/05/22
Release Date:2019/06/19
Tag:Elastizitätsmodul; Festigkeit; Kriecheigenschaften
Young's modulus; creep properties; strength
Pagenumber:XIII, 156
RVK - Regensburg Classification:TH 1220
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht