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Self-Potential and electromagnetic monitoring during fluid injection into magmatic rocks

Haaf, Nadine (2022)
Self-Potential and electromagnetic monitoring during fluid injection into magmatic rocks.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022874
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Still today, induced seismicity is a major challenge during massive hydraulic stimulation in geothermal energy. Several approaches have been made to deal with it: e.g., adapted traffic light systems for real-time monitoring of hydraulic parameters and induced seismicity or testing new injection protocols such as fatigue hydraulic fracturing. In reducing the magnitudes and number of seismic events, the seismic signal is weakened, affecting the seismic monitoring itself again. Therefore, new monitoring techniques are of major interest. Recent studies showed the successful application of electric and electromagnetic monitoring surveys in the context of hydraulic injection experiments. This thesis includes data sets from two different injection experiments at the reservoir- and the mine-scale to investigate possible electrokinetic or seismoelectric effects and to reproduce the observations from other injection experiments, such as Rittershoffen. The experiments at reservoir-scale were electromagnetically monitored using magnetotelluric (MT) data. The results of this study show a temporal relation between decreasing apparent resistivity in the period ranges of 0.15-1 s and 4-8 s and (i) the geomagnetic field activity, (ii) the fluid losses up to 60 L/s, as well as (iii) mechanic processes occurring before induced seismicity. Against this background, the full physical meaning of the apparent resistivity changes remains a matter of debate. Note that forward modeling of the effect of the injected water volume could not explain the observed resistivity changes. Hydraulic fracturing (HF) experiments at underground lab scale, HF2 (conventional) and HF3 (fatigue hydraulic fracturing), were self-potential (SP) and electromagnetic radiation (EMR) monitored. Changes in SP have been observed with a temporal delay in both experiments in the near-field sensors (about 50 - 70 m distance from the experiment). However, in the far-field sensors (about 150 - 200 m from the experiment), such changes are observed only during the HF2 experiment. Furthermore, the background signal is reached about 45 minutes after the last pressure release. Generally, minima and maxima obtained from different electrode offsets between the individual injection steps are in phase. In contrast, after completing the two experiments, HF2 and HF3, the major minima and maxima are characterized by a significant phase shift. In addition, during shut-in phases, the results show an inverse correlation between pressure drop and increasing EMR amplitudes during HF2 and HF3. In conclusion, the objectives of this thesis have been achieved by (i) providing a new magnetotelluric monitoring data set of fluid injection in a different rock type, i.e., basalt, (ii) filling the scale-gap of SP and electromagnetic (EM) data sets by monitoring underground-lab scale injection tests, and (iii) indicating precursor of seismic events under controllable condition. However, some open questions remain, such as if the precursor observations are verified in other experiments and on underground lab- or lab-scale. And last but not least, is the supposed link between pressure and EM or SP signal linked to fluid flow on micro-fractures or only to pressure.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2022
Autor(en): Haaf, Nadine
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Self-Potential and electromagnetic monitoring during fluid injection into magmatic rocks
Sprache: Englisch
Referenten: Schill, Prof. Dr. Eva ; Sass, Prof. Dr. Ingo
Publikationsjahr: 2022
Ort: Darmstadt
Kollation: xxix, 125 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 4 März 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022874
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22874
Kurzbeschreibung (Abstract):

Still today, induced seismicity is a major challenge during massive hydraulic stimulation in geothermal energy. Several approaches have been made to deal with it: e.g., adapted traffic light systems for real-time monitoring of hydraulic parameters and induced seismicity or testing new injection protocols such as fatigue hydraulic fracturing. In reducing the magnitudes and number of seismic events, the seismic signal is weakened, affecting the seismic monitoring itself again. Therefore, new monitoring techniques are of major interest. Recent studies showed the successful application of electric and electromagnetic monitoring surveys in the context of hydraulic injection experiments. This thesis includes data sets from two different injection experiments at the reservoir- and the mine-scale to investigate possible electrokinetic or seismoelectric effects and to reproduce the observations from other injection experiments, such as Rittershoffen. The experiments at reservoir-scale were electromagnetically monitored using magnetotelluric (MT) data. The results of this study show a temporal relation between decreasing apparent resistivity in the period ranges of 0.15-1 s and 4-8 s and (i) the geomagnetic field activity, (ii) the fluid losses up to 60 L/s, as well as (iii) mechanic processes occurring before induced seismicity. Against this background, the full physical meaning of the apparent resistivity changes remains a matter of debate. Note that forward modeling of the effect of the injected water volume could not explain the observed resistivity changes. Hydraulic fracturing (HF) experiments at underground lab scale, HF2 (conventional) and HF3 (fatigue hydraulic fracturing), were self-potential (SP) and electromagnetic radiation (EMR) monitored. Changes in SP have been observed with a temporal delay in both experiments in the near-field sensors (about 50 - 70 m distance from the experiment). However, in the far-field sensors (about 150 - 200 m from the experiment), such changes are observed only during the HF2 experiment. Furthermore, the background signal is reached about 45 minutes after the last pressure release. Generally, minima and maxima obtained from different electrode offsets between the individual injection steps are in phase. In contrast, after completing the two experiments, HF2 and HF3, the major minima and maxima are characterized by a significant phase shift. In addition, during shut-in phases, the results show an inverse correlation between pressure drop and increasing EMR amplitudes during HF2 and HF3. In conclusion, the objectives of this thesis have been achieved by (i) providing a new magnetotelluric monitoring data set of fluid injection in a different rock type, i.e., basalt, (ii) filling the scale-gap of SP and electromagnetic (EM) data sets by monitoring underground-lab scale injection tests, and (iii) indicating precursor of seismic events under controllable condition. However, some open questions remain, such as if the precursor observations are verified in other experiments and on underground lab- or lab-scale. And last but not least, is the supposed link between pressure and EM or SP signal linked to fluid flow on micro-fractures or only to pressure.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Auch heute noch stellt die induzierte Seismizität eine große Herausforderung bei der massiven hydraulischen Stimulation in der Geothermie dar. Es gibt verschiedene Ansätze, um damit umzugehen: z. B. angepasste Ampelsysteme für die Echtzeitüberwachung der hydraulischen Parameter und der induzierten Seismizität oder die Erprobung neuer Injektionsprotokolle wie z.B. Fatigue Hydraulic Fracturing. Durch die Verringerung der Stärke und Anzahl seismischer Ereignisse wird das seismische Signal abgeschwächt, was wiederum die seismische Überwachung selbst beeinträchtigt. Daher sind neue Überwachungstechniken von großem Interesse. Jüngste Studien haben gezeigt, dass elektrische und elektromagnetische Überwachungsmessungen im Zusammenhang mit hydraulischen Injektionsversuchen erfolgreich eingesetzt werden können. Diese Arbeit enthält Datensätze von zwei verschiedenen Injektionsversuchen auf der Reservoir- und der Meterskala, um mögliche elektrokinetische oder seismoelektrische Effekte zu untersuchen und die Beobachtungen aus anderen Injektionsversuchen, wie z. B. Rittershoffen, zu reproduzieren. Die Experimente auf der Reservoirskala wurden elektromagnetisch mit magnetotellurischen (MT) Daten überwacht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen zeitlichen Zusammenhang zwischen abnehmendem scheinbarem Widerstand in den Periodenbereichen von 0.15 - 1 s und 4 - 8 s und (i) der Aktivität des geomagnetischen Feldes, (ii) den Flüssigkeitsverlusten bis zu 60 L/s sowie (iii) mechanischen Prozessen, die vor Clustern der induzierten Seismizität auftreten. Vor diesem Hintergrund bleibt die volle physikalische Bedeutung der scheinbaren Widerstandsänderungen eine Frage der Debatte. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorwärtsmodellierung der Auswirkungen des injizierten Wasservolumens die beobachteten Widerstandsänderungen nicht erklären konnte. Bei den Experimenten zum Hydraulic Fracturing (HF) im unterirdischen Labormaßstab, HF2 (konventionell) und HF3 (Fatigue Hydraulic Fracturing), wurden das Eigenpotential (SP) und die elektromagnetische Strahlung (EMR) eingesetzt. Änderungen des SP wurden bei beiden Experimenten mit einer zeitlichen Verzögerung in den Nahfeldsensoren (etwa 50 - 70 m Abstand vom Experiment) beobachtet. In den Fernfeldsensoren (etwa 150 - 200 m vom Experiment entfernt) werden solche Veränderungen jedoch nur während des HF2-Experiments beobachtet. Außerdem wird das Hintergrundsignal etwa 45 Minuten nach der letzten Druckentlastung erreicht. Im Allgemeinen sind die Minima und Maxima, die sich aus den unterschiedlichen Elektrodenabständen zwischen den einzelnen Injektionsschritten ergeben, in Phase. Im Gegensatz dazu sind nach Abschluss der beiden Experimente HF2 und HF3 die größten Minima und Maxima durch eine deutliche Phasenverschiebung gekennzeichnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse während der Shut-in-Phasen eine inverse Korrelation zwischen Druckabfall und steigenden EMR-Amplituden während HF2 und HF3. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Ziele dieser Arbeit erreicht wurden, indem (i) ein neuer MT-Datensatz für die Fluidinjektion in eine andere Gesteinsart, nämlich Basalt, bereitgestellt wurde, (ii) die Skalenlücke zwischen SP- und elektromagnetischen (EM) Datensätzen durch die Überwachung von Injektionstests auf der Meterskala geschlossen wurde und (iii) Vorläufer seismischer Ereignisse unter kontrollierbaren Bedingungen angezeigt wurden. Es bleiben jedoch noch einige Fragen offen, z. B. ob die Beobachtungen der Vorläufer in anderen Experimenten und im unterirdischen Labormaßstab verifiziert werden können. Und nicht zuletzt, ob die vermutete Verbindung zwischen Druck und EM- oder SP-Signal mit dem Flüssigkeitsfluss in den Mikrofrakturen oder nur mit dem Druck zusammenhängt.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-228748
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften
Hinterlegungsdatum: 17 Nov 2022 12:03
Letzte Änderung: 18 Nov 2022 06:42
PPN:
Referenten: Schill, Prof. Dr. Eva ; Sass, Prof. Dr. Ingo
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 4 März 2022
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