Investigation of Shear Failure and Seepage Behavior of Fractured Hot Dry Rock Induced by Water Injection

China verfügt über einen bedeutenden Anteil an den weltweiten Ressourcen von heißem trockenem Gestein (Hot Dry Rock, HDR), der etwa ein Sechstel des globalen Gesamtpotenzials ausmacht. Die großflächige Erschließung dieser Ressourcen ist von entscheidender Bedeutung für die Erreichung der nationalen Ziele zur CO₂-Peakbildung und Klimaneutralität. Da tief liegende HDR-Formationen typischerweise aus hartem, dichten Granit bestehen, sind zur Erzeugung leitfähiger Kluftnetzwerke sowie zur Förderung des Fluiddurchflusses Stimulationstechnologien wie hydraulisches Fracturing und Scherung erforderlich, um ein Enhanced Geothermal System (EGS) zu etablieren. Während der hydraulischen Stimulation kann die Wasserinjektion eine Scherbewegung entlang bestehender Klüfte auslösen, was zu einer Erhöhung der Permeabilität führt. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Scherdehnung und Durchlässigkeit unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen stellen jedoch nach wie vor eine zentrale Herausforderung dar.
Diese Studie konzentriert sich auf Granit und kombiniert experimentelle Untersuchungen und numerische Analysen an Proben, die auf verschiedene Temperaturen (25 °C, 200 °C, 400 °C und 600 °C) erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Dabei werden Druck-, Zug-, Scher- sowie durch Wasserinjektion induzierte Scherexperimente durchgeführt, um den Einfluss der thermischen Behandlung auf die mechanischen Eigenschaften des Granits und die Entwicklung der Permeabilität vor und nach der Scherbewegung zu untersuchen.
Die wesentlichen Forschungsergebnisse lauten wie folgt:
1. An Granitproben, die bei Temperaturen von 25 °C bis 600 °C behandelt wurden, wurden Druck-, Zug- und Scherversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass hohe Temperaturen die mechanischen Eigenschaften des Granits – einschließlich der einaxialen Druckfestigkeit, der Zugfestigkeit, des inneren Reibungswinkels und der Kohäsion – signifikant schwächen, wobei die Abnahmerate mit steigender Temperatur zunimmt. Zwischen Raumtemperatur und 600 °C nahm die Druckfestigkeit von 150,79 MPa auf 60,77 MPa (−59,7 %) und die Zugfestigkeit von 5,34 MPa auf 1,19 MPa (−78 %) ab. Die Scherfestigkeit zeigte eine nichtlineare Veränderung mit der Temperatur. Bei 600 °C reduzierten sich die Kohäsion und der innere Reibungswinkel des intakten Granits um 24,87 % bzw. 7,9°, während die Kohäsion des geradlinig geklüfteten Granits nahezu auf 0 MPa sank.
2. Im Experiment zur durch Wasserinjektion induzierten Scherung ließ sich der Scherprozess des geklüfteten Gesteins in vier Phasen unterteilen: elastische Verformung, stabile Gleitung, periodisches Stick-Slip-Verhalten und instabiler Versagenszustand. In der Phase des periodischen Stick-Slip-Verhaltens fällt die Scherspannung abrupt ab und erholt sich schnell, begleitet von einer deutlichen Zunahme der Scherversetzung. Mit zunehmender Anzahl der Gleitereignisse steigt die Scherversetzung sukzessive an, bis schließlich der instabile Versagenszustand eintritt, gekennzeichnet durch einen plötzlichen Anstieg der Scherversetzung, ohne dass sich die Scherspannung erneut erholen kann. Weitere Untersuchungen zeigen, dass der zur Auslösung der Scherung erforderliche Wasserdruck mit zunehmender Temperatur ansteigt: Während der Druck am ersten Gleitpunkt bei 25 °C bei 1,8 MPa liegt, beträgt er bei 600 °C bereits 4,5 MPa – ein Anstieg um etwa 150 %.
... shortened by database system ...