Aalborg Universitet Sprækket kridt gennemstrømningsforsøg Thorsen, Grete

Aalborg Universitet

Sprækket kridt

gennemstrømningsforsøg Thorsen, Grete

Published in:

NGM-92 : Proceedings fra 11. Nordiske Geoteknikermøde, Aalborg, 28-30 maj 1992

Publication date:

1992

Document Version

Også kaldet Forlagets PDF

Link to publication from Aalborg University

Citation for published version (APA):

Thorsen, G. (1992). Sprækket kridt: gennemstrømningsforsøg. I NGM-92 : Proceedings fra 11. Nordiske Geoteknikermøde, Aalborg, 28-30 maj 1992: Artikler til NGM-92: Session 1-4 (Bind 1/3, s. 131-136). Dansk Geoteknisk Forening. DGF-bulletin Nr. 9

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

- Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.

- You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain - You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal -

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at vbn@aub.aau.dk providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from vbn.aau.dk on: March 24, 2022

NGM-92

11. NORDISKE GEOTEKNIKERM0DE AALBORG, 28-30 MAJ 1992

Vol1 I 3

~---·----·----"

.. ~---·---·----·~---- ... ^,~

~··-·---·--··---~

Artikler til NGM-92: Session 1-4

--·--·--·--·---·~

Maj 1992

dgf-Bulletin

9

DANISH GEOTECHNICAL SOCIETY

DANSK GEOTEKNISK FORENING

NGM-92

11. NORDISKE GEOTEKNIKERM0DE AALBORG, 28-30 MAJ 1992

Vol1/3

Artikler til NGM-92: Session 1-4

Maj 1992

dgf-Bulletin

9

DANISH GEOTECHNICAL SOCIETY DANSK GEOTEKNISK FORENING

r.

Spr~kket kridt. Gennernstr~mningsfors~g. NGM, Aalborg, Maj 1992.

Sprrekket kridt. Gennemstr{3mnings-

fors~g

Af

Grete Thorsen, Aalborg Universitetscenter

RESUME

Denne artikel beskriver resultaterne af gennemstn~rnningsfors0g udf~rt pa blokke af skrive- kridt. Fors~gsblokkene var pa henholdsvis 30 x 30 x 30 cm³ og 75 x 75 x 75 cm³ og indeholdt rnaterialets naturlige sprrekkesystemer. Formalet med fors~gsserien va.r at belyse

gennemstr~mningsegenskaber i sprrekket materiaJe. De udf~rte fors!3g synes at vise, at for sma sprendingsniveauer er rendringer i vandtransportevne i h!3jere grad afhrengige ai tiden end af de effektive sprendinger og gennemstr0mningstrykket.

BAGGRUND

I Nords!3en er kalk- og kridtbjergarter ( "chalkgroup") reservoirbjergarter for olie- og gas- forekomster. Kalk- og kridtafiejringerne indeholder inhomogeniteter og er gennemsat af sprrekkesysterner.

Til besternmelse af gennemstr0mningsegenskaberne af kalk- og kridtbjergarter udf13res normalt laboratoriefors0g med sma pr0ver optaget i boringer. Disse fors!3gsresultater giver oplysninger om gennemstr!3mningsegenskaberne af det hornogene usprrekkede grundmateri- ale.

Formalet rned fors~gsprogrammet omtalt i denne artikel bar vreret at male gennem- str0mningsegenskaberne pa blokke af en sadan sterrelse, at de indeholder inhomogeniteter og sprrekkesystemer.

DET UNDERS0GTE MATERIALE

Det unders~gte materiale er skrivekridt fra senonperioden. Pn~verne er udtaget i R~rdal

kridtgrav ved Aalborg, hvor afiejringer af skrivekridt komrner frem i dagen.

Skrivekridt er en meget finkornet bjergart, der nresten udelukkende bestar af kalk. Aflejringerne er hrerdnede og gennemsat af sprrekkesystemer. Skrivekridtaflejringerne ved R0rdal er i struktur og sammensretning meget lig de kalkbjergarter, som i Nords13en danner reservoirbjergarter for olie- og gasforekornster.

1

Med sma prtver af skrivekridt fra Rtrdal kridtgrav er bestemt ftlgende vaerdier for grundmaterialets kla.ssifikationsegenskaber:

Vandindhold Rumvcegt Pore tal Poresitet

to= 28- 30%

1

=

19.7- 18.8 kNfm³ e

=

^0.76-0.95

n = 0.43 - 0.49

Kornvcegtfylde Kalkindbold Mcetningsgrad

d.= 2.71

k.

=

^97.0-99.5~

Sw

=

¹

Grundmaterialets gennemstremningsegenskaber er understgt ved forslg med sma prtver.

Ud fra konsolideringsfors0g er fundet en bydraulisk konduktivitet KA

=

^{k gfv}

=

^10-10

a

10-n m/sec, svarende til en permeabilitet k

=

10-⁵

a

^{w-T darcy. 11 =} viskositeten

=

10-⁶ m²/sec for va.nd ved 20°C. g

=

tyngdeaccelerationen

=

9.81

m/sec

^1•

I triaxialapparatet er udfert et gennemstremningsforstg med et kammertryk

pa

^{400 kPa}

og et gennemstrtmningstryk pa 25 - 30 kPa. Dette forstg viste en hydraulisk konduktivitet pa KA

=

2 · 10-¹¹ m/sec, svarende til en permeabilitet pa k

=

2 · 10-⁶ darcy.

UDSKIERING OG TRANSPORT AF BLOKPR0VER

Forstgsblokkene af skrivekridt er udsavet med ltvsav under samtidig spuling med vand.

Bade af hensyn til fordampning fra blokoverftaden og pa grund af de fine sprcekkesystemer, som ville abne sig ved trykaftastning, bar det vceret ntdvendigt at emballere blokpreveme i specielle transportka.sser.

Transportkasserne er trrekasser foret med gummimatter. Sa snart en preveside var u.dskaret pasattes en side af transportkassen. Ved sammensprending af transportkassens sider blev opnaet, at disse sluttede tret til blokprtven.

De fern af blokprevens sider blev udsavet og emballeret ftr blokken blev frigjort fra aflejringsstedet. Blokkene blev udsavet lige over arealets naturlige vandspejl, og de ka.n derfor pa grund af materialets kapillaritet paregnes vandmrettede i frigerelsestjeblikket.

Efter ankomsten tillaboratoriet er blokprtverne anbragt i specielle laboratoriekasser ved en efter en at udskifte transportkassernes sider med en side i laboratoriekassen.

MALEUDSTYR I LABORATORIET

Laboratoriekasserne til ma.Iing af blokprtvernes gennemstrtmningsegenskaber var opbygget efter ftlgende princip:

Enhver af siderne i kassen kunne udskiftes med en vilkarlig af de evrige sider.

Enhver af ka.ssens sider havde pa indersiden en pasmurt gummipude (Latex), hvori der ved luft (eller vand) kunne etableres et tryk pa blokpr0ven. Pa to af blokprtvernes sider var mellem pr0ven og gummipuden indskudt et permeabelt Jag, fiberdug, hvor igennem der var en draenmulighed.

Det alsidige tryk pa blokpr0verne blev etableret ved lufttryk i gummipuderne. Af prak- tiske arsager var der dog vand i bundpuden.

Under konsolideringsprocessen blev etableret et alsidigt tryk i gummipudeme, mens draening blev tilladt fra filtrene (fiberdugene).

Ved gennemstr0mning blev etableret et vist tryk i den ene filterside, og drrening blev tilladt fra den anden filterside. Den gennemstr0mmende vandmrengde blev ma.It i specielt

2

(

koostruerede volumeoma.Iere. Under &lle fors~&g blev alsidigt tryk, geonemstrfmningstryk og geonemstrfmrnende vandmcrngder registreret.

BLOKPR0VER. GENNEMSTR0MNINGSFORS0G Materiale

Der er udf~&rt gennemstr~&mningsfors~&g med 5 blokpr~&ver. 3 pr~&ver pa 30 x 30 x 30 cm³ og 2

pr~&ver pa 75 x 75 x 75 cm^3. Umiddelba.rt efter a.nkomsten tilla.bora.toriet blev blokpr~&verne

opmalt og vejet. Pr0vernes rumvregte blev bestemt til;

=

18.8 · 19.8 kN/m³, hvilket svarer til de rumvregte, der blev bestemt for de va.ndma!ttede sma prQJver.

Forma.J

Formalet med de udf~&rte fors0g va.r

a.t belyse gennemstr~&mningsegenskabernes variation med de effektive sprendinger, at belyse sprrekkeroes indfl.ydelse pa gennemstr0mningsegenskaberne,

at belyse gennemstr0mningsegenska.bernes variation i forskellige retninger.

Fors~gsprocedure

Med den a.ktuelle forsegsopstilling kunne etableres et kammertryk pa op til 140 kPa. og gennemstr0mningstryk pa op til 50 kPa., sva.rende til en trykniveauforskel pa Ah = 5 m.

Blokpr0verne blev pM0rt et kammertryk.

Nar

konsolideringsprocessen for dette kam- mertryk va.r overstaet, d vs. de udpressede vandm<l!ngder va.r minimale, udfttrtes gennem-

str0mningsfors~&g med forskellige gennemstr0mningstryk op til tryk pa ea. 0. 7 gange det pa.f0rte kammertryk eller til det maksimalt mulige gennemstremningstryk pa 50 kPa.

Nar en fors0gsserie med gennemstremningsfors~&g ved forskellige kammertryk var udf0rt ved gennemstr~&mning mellem to modstaende sider, blev filtersiderne i laboratoriekassen udskiftet med to andre modstaende sider og en ny fors0gsserie startet.

Gennemstr0mningsegenskabernes variation med de effektive sprendinger

Efter udf0relsen af en rrekke fors0g matte det konstateres, at fors0gene ikke umiddelbart var reproducerbare. Gennemstr0mningsfors~&g udfert pa sarnme pr~&ve med samme effektive sprendinger, q', og samme gennemstr0mningstryk, trykniveauforskel Ah, viste forskellige gennemstr0mningsvandmrengder, q, afhrengig af udferelsestidspunktet.

Pa figur 1 er vist den gennemstr0mmede vandmrengdes variation med tiden for 5 gen- nemstr0mningsfors0g med en af de store blokpr0ver. Sammenholdes resultaterne med de aktuelle trykniveauforskelle og effektive sprendinger ses, at gennemstr0mningsegenskabernes variation med trykoiveauforskel og effektive spcendinger er langt mindre end variationen med tiden.

Sprrekkernes indfiydelse pa gennemstr0mningen

Permeabiliteten af et sprrekket materiale kan udtrykkes som en sum af sprrekkernes perme- abilitet og grundmaterialets permeabilitet.

3

q cml Vandmengde 6000

5000

4000

3000

2000

1000

- ^, ,,

~

^150/"

o

I

0 I

1502

: I

~I _ ... -1503

~I ... .

1 ... ..-1504

1 • .-··:... . . - - -1505.2

I .::..·"' ,...

I •'"'*

I ,•

' 1505.1 /"

rorseg

1501 1502 1503 1504 1505.1 1505.2

.,.,__. .... ---

Tid

0 ~--~----+----+----r---~--~----+-~~

0 100 200 300 400 500 600 700 min.

rorsegs- Ah ^(J'

dato m kPo

240386 3.2-2.7 71-76 250386 1.7-0.1 79-87 260386 3.3-0.1 71-87

210486 5 62

230786 1.2 81 230786 3.2 71

Figur 1: Re.n.ltat af 5 gennemstr1mnings/ors1g md en stor llloJ:pr1ve. tih = tryhaiven/orskel mel/em fihersiderne. ~ = effd:tiv spd!nding i pr1vemidte.

Betragtes en str~~Smning i en glat sprcekke af st0rrelsen e, vil vandet bevcege sig med en middelha.stighed

v=k · ! · i=~

l

· ! · i

V 12 11

k

=

~~

=

permeabiliteten i sprcekken (Bandis et al - NGI no. 164) g = tyngdeaccelerationen

11 = viskosi teten i = gradienten

Sa£remt alt gennemstr~~Smmende vand i en cubisk pr~~Sve med sidelinien I transporteres i en glat vandret sprrekke fas f~lgende:

Q e¹ g ~h e³ g

;-:/ =

₁₂ · ;; · -1- eller Q =

12 · ;; . ~h

hvor Q = vandmrengden pr. tidsenhed. ~h

=

trykniveauforskellen mellem blokpr~vens to filtersider.

Vandmrengden er altsa uafhcengig af pr0vest0rrelsen. Sprcekkest~rrelsen kan beregnes ud fra f0lgende:

e

= i ^~h

^{·12 ·}

^~

4

K• K. k • mm Sprakkesterrelse

m/se~. m/se~. dor~y

1501

0.08

---

5 ·1

o-'

^{5 ·1}

o-

³ 500 1502

1503

--

0.07 1504

--·-

1505.1

--

1.2 ·10-⁷ 3·10-l 300 0.06 1505.2

---

0.05

0.04 I

0.5 ·10-⁷ 1 · 1

o-

³ 100

I

I 0.03 ^I

I

0.02

,·'

·'

I

0.01 ·10-⁷ 0.1 .1

o-

³ 10 0.01

Tid 0

0 10 100 1000 min.

Figur t: Tid.shroer for 6eregnd spr~Uest1rrel.se e mm, for de pli fig•r 1 lli.ste gennem.strlmningsfoNig.

Den hydrauliske konduktivitet i sprrekken er g e2 g

K = k · - = - · -

e ll 12 ll

Den hydrauliske konduktivitet beregnet over blokpn~vens areal er

e e³ g

Q

KA = - · Ke

= - - · -

^{= - -}

1 12·1 ^ll 1·6h

Beregning af variationen af sprrekkest~rrelsen under gennemstr0mningsfors~g viser en sprrek- keudvidelse ved reduktion i de effektive sprendinger, men sprrekkest~rrelsen formindskes igen med tiden. Sprrekkeformindskelsen viser sig at variere retlinet med tiden i enkeltlogaritmisk afbildning.

Pa figur 2 er beregnede sprrekkest0rrelsers variation med tiden optegnet i enkeltlogarit- rrusk afbildning for de pa figur 1 viste fors0g.

Tidskurven for sprrekkest0rrelsens variation under et gennemstr~mningsfors~g bar sam- me form som krybningskurven fra et konsolideringsforsl<1g, og et lignende udtryk sorn opstillet for krybningsdeforrnationer (Moust Jacobsen (1991)) synes at grelde for sprrekkevariationer under et gennemstrl<1rnningsfors0g.

t t

e = eA - 6e = eA -eA f• log (1

+-)

= eA (1 - f . log (1

+ -))

tA tA

5

hvor

t = den tid, der er forl~bet siden gennemstremningsforsegets start.

t..-t

= en tid, der afhrenger af aftastningssprendingen og af den tid, der er forl~bet, siden

pr~ven blev underkastet det aktuelle kammertryk.

e = den aktuelle sprrekkest~rrelse.

e,-t =en teoretisk sprc:ekkest~rrelse, der afhrenger af aflastningsniveau og st~rrelsen a.f t,-t.

~e = sprc:ekkeformindskelse med tiden.

e. = dekadehc:eldning for sprrekkest~rrelsens t~jningsvariation med tiden.

Produktet e,-t · f• er s.iledes et udtryk for dekadehreldningen for sprrekkest~rrelsens variation med tiden.

Gennemstr~mningsegenskabernes variation i forskellige retninger Med blokpr~verne er udf~rt gennemstr0mningsfors0g i tre forskellige retninger.

De beregnede st0rste sprrekkest0rrelser er fundet at variere fra e = 0.04 mm til e = 0.09 mm. Den st0rste variation mellem de tre retninger indenfor en enkelt pr~ve er 0.03 mm, og altsa mindre end den variation i sprrekkest0rrelse, der er konstateret med tiden.

KONKLUSION

For de lave spc:endingsniveauer, der har vreret aktuelle under dette fors0gsprogram, ma det konkluderes, at gennemstr0mningsevnen er mere afhrengig af tidspunktet for fors0gets

udf~relse end a.f variationen i de effektive sprendinger i pr0vemidte og gennemstr~mnings­

trykket.

Tidskurven for sprrekkevariationen under et gennemstr0mningsfors~g har samrne form som krybningskurven ved en konsolideringsproces.

Det ma derfor vrere rimeligt at antage, at sprrekkevariationer under gennemstr~mnings­

fors~g kan beregnes efter tilsvarende principper som krybningssretninger (jfr. Moust Jacob- sen (1991)).

Fors0gene behandlet i denne artikel er udf0rt med pr0ver af en sadan st0rrelse, at de indeholder materialets naturlige sprrekkesystemer. Sammenlignet med forholdene i naturen ma de dog betragtes som sma elementer udskaret fra et hele. Dette betyder naturligvis, at de resultater, der er opnaet i laboratoriet ikke n0dvendigvis direkte kan overf~res til forholdene i naturen.

REFERENCER

Bandis, S.C., A. Makurat & G. Vik {1986): Predicted and Measured Hydraulic Conduc- tivity of Rock Joints. NGI Publikasjon nr. 164. Oslo.

Moust Jacobsen, H. (1991): Forskningsprojekt vedr0rende lettere forbelastet lers geotek- niske egenskaber. A UC Intern rapport.

van Golf-Racht, T.D. (1982): Fundamentals of fractured reservoir engineering. Develop- ments in Petroleum Science, 12 Elsevier S. P.C.

6