@phdthesis{Herrmann2019,
  author    = {Herrmann, Johannes},
  title     = {The mechanical behavior of shales},
  doi       = {10.25932/publishup-42968},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429683},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XIII, 156},
  year      = {2019},
  abstract  = {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 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.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Trescher2012,
  author    = {Trescher, Karoline},
  title     = {Cokulturtestsystem f{\"u}r die Untersuchung des Einflusses physikochemischer Eigenschaften von Copolymeren auf das Verhalten von Keratinozyten und Fibroblasten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-62915},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2012},
  abstract  = {Chemische und physikalische Eigenschaften von Polymeren k{\"o}nnen verschiedene Zelltypen unterschiedlich, z. B. hinsichtlich Adh{\"a}renz oder Funktionalit{\"a}t, beeinflussen. Die Elastizit{\"a}t eines Polymers beeinflusst vor allem, welche Zugkr{\"a}fte eine Zelle gegen{\"u}ber ihrem Substrat entwickeln kann. Das Zellverhalten wird dann {\"u}ber intrazellul{\"a}re R{\"u}ckkopplungsmechanismen reguliert. Die Oberfl{\"a}chenladung und/oder Hydrophilie eines Polymers beeinflusst zun{\"a}chst die Adsorption von Ionen, Proteinen und anderen Molek{\"u}len. Vor allem {\"u}ber die Zusammensetzung, Dichte und Konformation der adsorbierten Komponenten werden anschließend die Wechselwirkungen mit den Zellen vermittelt. Des Weiteren k{\"o}nnen verschiedene Zelltypen unterschiedliche membranassoziierte Proteine, Zucker und Lipide aufweisen, so dass Polymereigenschaften zellspezifische Effekte bewirken k{\"o}nnen. F{\"u}r biotechnologische Anwendungen und f{\"u}r den Einsatz in der regenerativen Medizin gewinnen Polymere, die spezifische Zellreaktionen regulieren k{\"o}nnen, immer weiter an Bedeutung. Die Isolierung und Kultur von prim{\"a}ren Keratinozyten ist noch immer anspruchsvoll und die ad{\"a}quate Heilung von Hautwunden stellt eine fortw{\"a}hrende medizinische Herausforderung dar. Ein Polymer, das eine bevorzugte Adh{\"a}renz von Keratinozyten bei gleichzeitig verminderter Anheftung dermaler Fibroblasten erm{\"o}glicht, w{\"u}rde erhebliche Vorteile f{\"u}r den Einsatz in der Keratinozyten-Zellkultur und als Wundauflage bieten. Um den potentiell spezifischen Einfluss bestimmter Polymereigenschaften auf prim{\"a}re humane Keratinozyten und dermale Fibroblasten zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Zellkultursystem f{\"u}r die Mono- und Cokultur beider Zelltypen entwickelt. Das Testsystem wurde als Screening konzipiert, um den Einfluss unterschiedlicher Polymereigenschaften in mehreren Abstufungen auf die Zellen zu untersuchen. Folgende Parameter wurden untersucht: 1. Vitalit{\"a}t und Dichte adh{\"a}renter und nicht-adh{\"a}rierter Zellen, 2. Sch{\"a}digung der Zellmembran, 3. selektive Adh{\"a}renz von Keratinozyten in Cokultur durch die spezifische immunzytochemische F{\"a}rbung von Keratin14 und Vimentin. F{\"u}r die Polymere mit variabler Elastizit{\"a}t wurden zus{\"a}tzlich die Ablagerung extrazellul{\"a}rer Matrixkomponenten und die Sekretion l{\"o}slicher Faktoren durch die Zellen untersucht. Als Modellpolymere f{\"u}r die Variation der Elastizit{\"a}t wurden vernetzte Poly(n-butylacrylate) (cPnBA) verwendet, da deren Elastizit{\"a}t durch den Anteil des Vernetzers eingestellt werden kann. Auf dem weniger elastischen cPnBA zeigte sich in der Cokultur ein doppelt so hohes Verh{\"a}ltnis von Keratinozyten zu Fibroblasten wie auf dem elastischeren cPnBA, so dass ein leichter zellselektiver Effekt angenommen werden kann. Acrylnitril-basierte Copolymere wurden als Modellpolymere f{\"u}r die Variation der Oberfl{\"a}chenladung und Hydrophilie verwendet, da die Eigenschaften durch Art und molaren Anteil des Comonomers eingestellt werden k{\"o}nnen. Durch Variation des molaren Anteils der Comonomere mit positiver bzw. negativer Ladung, Methacryls{\"a}ure-2-aminoethylester-hydrochhlorid (AEMA) und N-3-Aminopropyl-methacrylamid-hydro-chlorid (APMA) bzw. Natriumsalz der 2-Methyl-2-propen-1-sulfons{\"a}ure (NaMAS), wurde der Anteil der positiven bzw. negativen Ladung im Copolymer variiert. Durch die Erh{\"o}hung des molaren Anteils des hydrophilen Comonomers N-Vinylpyrrolidon (NVP) wurde die Hydrophilie des Copolymers gesteigert. Die Erh{\"o}hung des molaren Anteils an positiv geladenem Comonomer AEMA im Copolymer f{\"u}hrte tendenziell zu einer h{\"o}heren Keratinozytendichte, wobei die Fibroblastendichte unver{\"a}ndert blieb. Durch die Erh{\"o}hung des molaren Anteils des positiv geladenen Comonomers APMA ergaben sich keine deutlichen Unterschiede in Dichte, Vitalit{\"a}t oder Selektivit{\"a}t der Zellen. Durch die stufenweise Erh{\"o}hung des molaren Anteils des negativ geladenen Comonomers NaMAS konnte, wie im Falle von AEMA, eine Tendenz zur verbesserten Keratinozytenadh{\"a}renz beobachtet werden. Die Steigerung der Hydrophilie der Copolymere f{\"u}hrte sowohl f{\"u}r Keratinozyten als auch f{\"u}r Fibroblasten zu einer reduzierten Adh{\"a}renz und Vitalit{\"a}t. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein Testverfahren etabliert, das die Untersuchung von prim{\"a}ren humanen Keratinozyten und prim{\"a}ren humanen Fibroblasten in Monokultur und Cokultur auf verschiedenen Polymeren erm{\"o}glicht. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass sich durch die gezielte Modifizierung verschiedener Polymereigenschaften die Adh{\"a}renz und Vitalit{\"a}t beider Zelltypen beeinflussen l{\"a}sst. Die Reduktion der Elastizit{\"a}t sowie die Erh{\"o}hung des molaren Anteils geladener Comonomere f{\"u}hrten zu einer Zunahme der Keratinozytenadh{\"a}renz. Da die Fibroblasten unbeeinflusst blieben, zeigte sich f{\"u}r einige der untersuchten Polymere eine leichte Zellselektivit{\"a}t. Diese k{\"o}nnte durch die weitere Erh{\"o}hung der Steifigkeit oder des Anteils geladener Comonomere m{\"o}glicherweise weiter gesteigert werden.},
  language  = {de}
}