Computational Fracking: Eine dreidimensionale Mehrfeldformulierung zur Modellierung von Rissausbreitung in Fels

• Antragstellerin: Professorin Dr. Xiaoying Zhuang
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323760362

Der technische Fortschritt in der Geotechnik hat die Energie- und Mineralförderung in grosser Tiefe ermöglicht. Beispielsweise hat der Fortschritt auf dem Gebiet des, Hydraulic Fracturing (HF) zu einer kostengünstigen Förderung von Gas bzw. Ölressourcen geführt, welche zuvor als unökonomisch galt. Allerdings ist die Verwendung von HF zur unkonventionelle Öl-/ Gasförderung kontrovers, so dass mehrere Länder ein Moratorium für die Verwendung von HF verhängt haben. Die HF-Gegner verweisen auf schwere Umweltgefahren wie die Verschmutzung von Grundwasserressourcen, die Verschwendung von Süsswasser und die induzierte Seismizität. Um ein besseres Verständnis über den die physikalischen Prozesse beim HF zu erlangen, schlägt der Antragsteller die Entwicklung, Implementierung, Verifikation und Validierung eines dreidimensionalen Mehrfeld-Modells vor. Dieses Modell sollte in der Lage sein, die Fluidströmung durch poröse Medien und ein sich ausbreitendes komplexes diskretes Rissnetzwerk abzubilden. Die Extended Finite Element Methode (XFEM) soll um die Fluidströmung des sich ausbreitenden Netzwerkes erweitert werden. Kleinere Risse und Felsspalten werden im Rahmen eines Modelles basierend auf der Theorie poröser Medien berücksichtigt. In diesem Modell hängt die Permeabilität von der Porosität ab, die wiederum in Abhängigkeit eines anisotropen Schädigungstensors formuliert werden kann. Phänomene wie die Erhöhung des Kapillardruckes innerhalb des Risses, der sog. Fluid-lag, die Rissöffnung durch Partikel der HF-Zusatzstoffe (Stützmittel) und die durch die Schädigungsevolution induzierte Erhöhung der Permeabilität sollen im Modell enthalten sein. Die numerischen Ergebnisse des vorgeschlagene Modells sollen anhand von Vergleichen mit experimentellen Ergebnissen und Standortdaten validiert werden. Letztendlich sollen Parameterstudien durchgeführt werden, um einige dringende Fragestellungen bei HF-Prozessen zu beantworten, zum Beispiel die Wechselwirkung der verschiedenen Rissnetzwerke untereinander und mit benachbarten Felsspalten oder Felsschichten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen