Skalerte hydrauliske splitte- og jekkeforsøk i laboratorium

Abstract

Det er utført testforsøk av hydraulisk splitting og jekking på bergartsprøver i laboratorie ved NTNU (Norge teknisk naturvitenskapelige universitet). Testforsøkenes hensikt er å sammenlikne metoder for måling av minste hovedspenning for en forenklet ikke-standardisert jekketest. Oppgaven tar sikte på å tilføre grunnlag for effektivisering av spenningsmålinger relatert til design av vannkraftverk, og er tilknyttet forskningssenteret HydroCen.

Kapittel 2 ta for seg relevante bergmekaniske prinsipp. I kapittel 3 presenteres de ulike målemetodene for hydraulisk splitting og jekking benyttet i forsøkene. Her vil også det teoretiske grunnlaget for tolkning av spenninger under sprekkelukking bli beskrevet. Kapittel 4 gir en innføring i teori og bruk av akustisk emisjon i kartlegging av mikroseismisk sprekkeaktivitet. Kapittel 5 går igjennom oppsettet for laboratorieforsøk og beskriver de ulike utstyrskomponentene. Testresultatene er presentert i kapittel 6.

Fire bergartsprøver i størrelse 30x30x30 cm ble brukt i laboratorieforsøkene for forsøk av hydraulisk splitting og jekking. Bergartsprøvene er av type homogen Iddefjordsgranitt. Sprekkekarakteren av splittede sprekker er kartlagt med bruk av akustisk emisjon (AE), som måler mikroseismisk aktivitet av brudd under sprekkeaktivitet. Sammenlikning av 2D og 3D AE kildeplott mot bilder av prøvestykkene viser at AE hendelser stammer fra sprekkeaktivitet. Kartlegging av sprekkekarakter viser at hydraulisk splitting forekommer hovedsaklig normalt på minste hovedspenning, med noen unntak.

Tolkning av sprekkelukking under jekking av sprekk er gjennomført med tre ulike testmetoder; tradisjonell shut-in prosedyre, flowback metoden og stegvis jekkemetode. To tester fra hver metode er presentert. Alle tre metodene er blitt benyttet til å estimere shut-in trykket (Ps). Estimerte Ps har så blitt sammenliknet med beregnede normalspenninger for sprekkene. Resultatene viser ingen sammenheng med vanlig shut-in prosedyre, som antas ugyldig på grunn av vannlekkasje ut av prøvestykkene. Trykkanalyse av flowback metoden viser et mindre avvik på under 0.9 MPa, men det er likevel store forskjeller i resultatet fra eksisterende forskning som tyder på effekt av vannlekkasje. Stegvis jekking har best resultat for estimert Ps, med avvik på 0.1 MPa ved bruk av bilineær tolkning. Metoden viser tydelig åpning og lukking av sprekk i måling av relavtivt vanntap.

Aktivitet av akustisk emisjon er blitt sammenliknet med trykk over tid for å påvise mikroseismisk aktivitet under lukking av sprekk. Resultatene viser at det er kun flowbackmetoden som gir en god respons på sprekkelukking fra AE målinger. Injeksjonstrykket ved AE respons er likevel mye lavere enn hva som er forventet for lukking av sprekk. Skjærbrudd i etterkant av sprekkelukking er forklart som årsaken, men dette er ikke blitt validert. AE aktivitet registrert under vanlig shut-in prosedyre og stegvis jekking er svak og tolket som støy. Endring fra treffbasert til hendelsesbasert parametrisering av AE er foresl°att framover for å skille støy fra reell mikroseismisk aktivitet.

Test experiments have been conducted using hydraulic fracturing and jacking of rock samples in the laboratory at NTNU (Norwegian university of science and technology). The purpose of the experiments is to compare methods for measuring the minimum principal stress for a simplified non-standard jacking test. The thesis aims to add a basis for streamlining stress measurements related to the design of hydropower plants, and is affiliated with the HydroCen research center.

Chapter 2 deals with relevant principles of rock mechanics for the thesis. Chapter 3 presents the different methods for measuring hydraulic fracturing and jacking applied in the laboratory experiments. Here, the theoretical basis for the interpretation of stress measurement during fracture closure will be described. Chapter 4 provides an introduction to the theory and application of acoustic emission in the mapping of microseimsic activity from fractures. Chapter 5 goes through the practical setup for laboratory experiments and describes the various components of equipment. The test results and interpretations are presented in Chapter 6.

Four 30x30x30 cm rock samples were used in the hydraulic fracturing and jacking experiments. The rock samples are classified as homogeneous Iddefjord granite. The nature of the induced fractures are mapped using acoustic emission (AE), which measures microseismic activity in the rock samples. Comparison of 2D and 3D AE source plots against images of the specimens clearly shows that AE sources are derived from fracture activity. Observations of the fractures shows that hydraulic fracturing occurs mainly normally on the minimum principal stress component, although with minor deviations.

Interpretation of fracture closure have been performed with three different test methods; the traditional shut-in method, the flowback method and the stepwise jacking method. Two tests from each method are presented in the results. All three methods have been used to estimate the shut-in pressure (Ps). Estimated Ps have been compared to the calculated normal stress component of the fractures. The results show no correlation for the traditional shut-in method, interpreted to be invalid due to water leakage out of the sample. Pressure analysis of the flowback method shows lesser deviation in shut-in pressure compared to normal stress from 0 to 0.9 MPa. The results does not correlate with previous research, which indicates a large effect of water leakage when using this method. Stepwise jacking proves to be the best method for estimated Ps, with deviations of only 0.1 MPa using bilinear interpretation. The method shows a clear opening and closing of cracks in the measurement of relative water loss.

Activity in acoustic emission has been compared to the pressure over time to detect microseismic activity during fracture closure. The results shows that only the flowback method gives a good enough response under closure of the fracture in the form of acoustic emission. However, the injection pressure where acoustic emission occurs is much lower than what is expected for fracture closure. Shear fractures occuring after complete closure are therefore explained as the source for this AE activity, but this hypothesis has not been validated. AE activity recorded during shut-in and step-wise jacking is weak and interpreted as noise. A change from hit-based to event-based parameterization of AE is proposed to distinguish noise from real microseismic activity in future research.