Hydromechanische Reservoir-Modelle werden erstellt um quantitative Einblicke in die räumliche Verteilung von Spannungen, Verformungen und Porendruck zu erhalten. Aktuelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die verschiedene Ansätze Störungen in solche Reservoir-Simulationen zu integrieren eine nicht zu unterschätzende Auswirkung auf die Modellierungsergebnisse haben. Störungszonen stellen ein wichtiges Merkmal des Untergrunds dar. Diese beeinflussen sowohl das hydraulische als auch das mechanische Verhalten eines Reservoirs. Deshalb ist es von immenser Bedeutung, Störungen möglichst akkurat in derartigen numerische Modelle zu implementieren. Die Darstellung von Störungszonen sollte präzise die Effekte abbilden, die Störungszonen in Bezug auf (1) Fluid-Fluss und (2) das lokale Spannungsfeld haben. Eine Störung ist allerdings nicht nur ein einzelnes geologisches Merkmal, sondern vielmehr eine Störungszone mit internen, komplexer Geometrie und verschiedenen Gesteinseinheiten mit ihrerseits unterschiedlichen Materialeigenschaften. Aufgrund der typischen Netzgröße Reservoir-maßstäblicher Finite Element Modelle kann diese kleinmaßstäbliche Heterogenität nur schwer in diesen Modellen repräsentiert werden. Daher basiert die Darstellung von Störungszonen notwendigerweise auf Vereinfachung und Aufskalierungsmethoden.

Um die Entscheidungsfindung zu vereinfachen und zur Unterstützung in der Auswahl der besten Repräsentation, sind Kenntnisse hinsichtlich der verschiedenen Auswirkungen jeder Vereinfachung und jedes zum Einbau von Störungen verwendeten Ansatzes auf die Modellierungsergebnisse nötig. Diese Thesis konzentriert sich folglich auf die verschiedenen Ansätze der Darstellung von Störungszonen mit einem einzigen aufskalierten Set von Materialeigenschaften in Reservoir-maßstäbliche hydromechanischen Finite Elemente Modellen. Hauptziele sind hierbei:

(1) Korrekte Implementierung der Störungsgeometrie innerhalb des Finite Elemente Netz

(2) Akkurates Adressieren der Skalenunterschiede zwischen der internen Heterogenität der Störungszone (Zentimeter bis Meter) und der üblichen Größe der Berechnungszellen des numerischen Netzes (Meter bis Zehnermeter)

(3) Zuweisen der Materialeigenschaften des Störungsgesteins in das numerische Model, welche – wenn überhaupt verfügbar – von gesteinsmechanischen Tests von Kernproben mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern stammen und deshalb Upscaling und Merging Techniken benötigen

Um diese Herausforderungen anzugehen wurden drei wissenschaftliche Paper veröffentlicht, basierend auf simplen generischen Störungszonen-Modellen. Die untersuchten Ansätze im Hinblick auf die Darstellung von Störungszonen in Reservoir-maßstäbliche hydromechanischen Modellen beinhalten ein rechtwinkliges Netz, eine Netzgeometrie, die sich an die Störungsgeometrie anpasst sowie die Störungsrepresentation durch Kontaktelemente. Die Darstellung von Störungszonen als volumetrische Schwächezonen wird weiterhin untersucht bezüglich verschiedener Netzgeometrie, Einfallswinkel der Störung sowie verschiedenen Netz-Auflösungen innerhalb der Störungszone. Weiterhin wird der Einfluss von verschiedenen elastischen und Reibungs-Eigenschaften der Störungszonen bewertet.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den berechneten Spannungs- und Verformungsmustern als auch dem Porendruck-Bereich, die durch verschiedene Störungszonen-Integrations-Strategien erzielt wurden, werden diskutiert und grundsätzliche Empfehlungen hinsichtlich der Implemetierung von Störungszonen in hydromechanischen Reservoir Modellen gegeben. Die Darstellung von Störungszonen als volumetrische Schwächezone oder Kontaktelemente führt zu signifikanten Unterschieden in den Spannungs- und Verformungsmustern im Nahfeld der Störung (< 50 m).

Während der Einfallswinkel der Störung grundsätzlich nicht von großer Bedeutung für den Fluid-Fluss ist, hat er einen erheblichen Einfluss auf die Spannungs-Perturbation, die von der Störungszone ausgelöst wird. Eine weitere wichtige Entdeckung ist die, dass die Netz-Auflösung sehr sorgfältig ausgewählt werden muss - insbesondere in Kombination mit rechtwinkliger Vernetzung – da andernfalls blockierende Effekte und ernste Fehler zu befürchten sind.

Falls jedoch der Fokus der Studie nicht in der direkten Umgebung der Störungszone liegt, erlaubt ein rechtwinkliges Netz mit angemessener Netz-Auflösung schnellere und einfachere Modell-Generierung im direkten Vergleich zu einem gekrümmten Netz, dass angepasst an die Störungszonengeometrie ist. Bezüglich der Material Parameter hat das der Störungszone zugewiesene Elastizitätsmodul und die Kohäsion den größten Einfluss auf die Resultate, während der interne Reibungswinkel und die Poissonzahl nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Insgesamt bietet dieses Thesis Empfehlungen und Richtlinien um die Darstellung von Störungszonen in Reservoir Simulationen zu verbessern. Das Ziel ist es hierbei, realistischere Simulationen zu erzeugen und daraus folgend verlässlichere Modellierungsergebnisse zu liefern, die wiederum Vorhersagen verbessern, Kosten verringern und Risiken während Arbeiten im Untergrund reduzieren.