A Comparative Analysis of Stress- Strain Characteristics and Consolidation Behaviour of Clay from Onsøy and Clay from the Troll Field Located in the Northern North Sea

Abstract

Karbonfangst og lagring er et initiativ for å redusere karbon-utslipp ved å fange den, før den så blir lagret under overflaten. Hovedformålet med dette er å senke de totale atmosfæriske karbon-nivåene, og Norge har helt i verdenstoppen når det kommer til CCS-prosjekter siden 1996, med mange suksessfulle prosjekter å referere til. SHARP prosjektet ble opprettet som et storskala, internasjonalt prosjekt med 16 samarbeidende land, for å bekjempe karbon-utslipp gjennom en rekke arbeidspakker. En av disse arbeidspakkene er dedikert til kartlegging av spenningshistorikk og forståelse av det geomekaniske aspektet bak marine sedimenter nord i Nordsjøen.

Hovedformålet med denne masteroppgaven er å danne grunnlaget for en dypere forståelse mtp. konsoliderings- og spenningshistorien til Onsøy-leire ved å sammenligne spenning-tøyningskurver fra Onsøy, med leire fra Troll feltet for å forsterke kunnskapen om spenningstilstanden i disse sedimentene. For å kunne vurdere kvaliteten på resultatene er det utført indekstester i laboratoriet som en bekreftelse på at egenskapene til Onsøy leiren har forblitt de samme i løpet av de siste 5 årene prøvene har stått på lager. Måten dette oppnås på inkluderer en kombinasjon av de viktigste indekstestene og ødometer tester, både CRS og IL. Det ble utført totalt 5 tester der Test 4 ble vurdert som den beste mest representative testen, og derav benyttet som utgangspunkt for sammenligningen med de tidligere beregnede spennings-tøyningskurvene fra Troll feltet.

Under sammenligningen av spennings-tøynings kurvene til de to leirene, ble noen nøkkelforskjeller avdekket. Troll leiren innehar høyere vanninnhold og plastisitetsindeks, og lavere OCR i forhold til Onsøy leiren, noe som kan medføre større tøyninger. Den største forskjellen mellom de to testene var imidlertid at det ble registrert større tøyninger for Troll leiren ved samme spenningsintervall sammenlignet med Onsøy, noe som resulterer i en relativ forskyvning av pålasting-avlastning-pålastningskurven med 3%. Denne forskyvningen plasserer Troll løkken mellom 12% og 15%, i forhold til mellom 9% og 12% for Onsøy løkken, og tøyningsforskyvningen følger grafen til den flater ut ved maks spenning. Forskjellen i tøyning er også her lik 3%.

Men, denne tøyningsforskyvningen stammer ikke nødvendigvis kun fra egenskapene til selve leiren, men kan også ha en sammenheng med typen lastesekvens leiren har blitt utsatt for, CRS eller IL. Resultatene presentert fra Troll er utført via CRS-testing, mens Onsøy-leiren er testet med IL. Ideelt sett burde begge testene ha blitt utført ved bruk av samme metode for å mer nøyaktig kunne sammenligne resultatene, men utstyrsbegrensninger i laboratoriet resulterte i at Onsøy leiren måtte testes via IL. Noen ekstra styrke- og kompresjonsparametere har også blitt beregnet, noe som resulterte i et representativt intervall for kompresjonsindeks, rekompresjonsindeks og sekundær kompresjonsindeks for Onsøy-leiren.

For å konkludere, selv om mindre forskjeller og uregelmessigheter i Onsøy-leiren ble fastslått, følges den generelle trenden fra Troll testene. Leiren har svært lik konsolideringsoppførsel, og basert på alt dette konkluderes det med at Onsøy-leiren mest sannsynlig kan brukes som en pålitelig erstatning for Troll-leire, i det minste ned til de undersøkte dybdene.

Carbon capture and storage is an initiative to lower carbon emissions by capturing it, before it is stored securely below ground. By doing so the main goal is to lower atmospheric carbon levels, and Norway has been a leading country within the CCS-scope since 1996 with many successful projects. The SHARP project was initiated as a large scale, international project, with 16 collaborating countries, to mitigate carbon emissions though a series of work packages, one of them dedicated to mapping the stress history and understanding the geomechanical aspect of marine sediments in the Northern North Sea.

The main objective behind this thesis is comparing the stress-strain curves between the Onsøy Norwegian Geo Test site soft clay and the Troll field in the Northern North sea to further understand the stress-history of the sediments. To be able to assess the credibility of these consolidation tests, additional index tests have been executed to make sure that the sample properties of the clay has stayed intact during the past 5 years spent i storage. A total of 5 test were run, and based on information presented in the thesis, Test 4 was deemed the best estimate and used as basis for the comparison with the previously computed stress-strain graphs from Troll.

During the comparison between the two, some key differences was unveiled. The Troll clay inherits a larger peak water content and plasticity, as well as a lower overconsolidation ratio compared with Onsøy. These properties might lead to larger strains compared to clays with the opposite characteristics. However, the biggest difference between the two tests was deemed to be that the Troll clay experiences larger strains at the same stress interval compared to Onsøy, which relatively displaces the loading-unloading-reloading loop by 3%. This displacement leaves the loop located between 12% and 15%, relative to the interval 9% and 12% for Onsøy. This strain-displacement follows the curve until it flattens out at peak stress, and the difference in strain between the two clays flat are also 3%. Furthermore, this strain difference could also have originated from the type of loading sequence the clay has been exposed to as the tests run on the Onsøy clay was based on incremental loading (IL) whilst the tests on the Troll clay was constant rate of strain (CRS). Ideally, both tests should have been executed using the same method for better comparability, but equipment limitations resulted in incremental loading for the Onsøy clay. Some additional strength- and compression parameters was also computed, which resulted in a representative interval for the compression index, recompression index and secondary compression index values for the Onsøy clay.

To conclude, even though minor discrepancies and irregularities on the Onsøy clay-curves were established, the general trend of the results and compressional behaviour of the soil was deemed very similar between the two. Based on this, Onsøy clay could most likely be used as a reliable stand-in for Troll clay in future geotechnical analyses, at least until the depths investigated.