Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten eines Sandsteins mithilfe eines Luftpermeameters

Abstract

ZusammenfassungZiel dieser Studie ist die Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten eines Sandsteins unter Berücksichtigung der Gesteinsmatrix sowie einer Einzelkluft unter Verwendung eines tragbaren Luftpermeameters. Hierfür wurde der fluviatil-äolisch abgelagerte Bebertaler Sandstein des Oberen Rotliegenden in Sachsen-Anhalt untersucht. Es wurden die Matrixpermeabilitäten der unterschiedlichen Faziesbereiche sowie die Kluftöffnungsweiten entlang einer Schichtfuge bestimmt. Die ermittelten hydraulischen Durchlässigkeiten der Sandsteinmatrix liegen dabei zwischen 1,0 · 10−7 und 9,2 · 10−10 m/s, allerdings weisen nur 3 von insgesamt 298 Messpunkten einen kf-Wert von > 7,4 · 10−8 m/s bzw. eine Permeabilität von > 10 mD auf. Diese gehören zur homogenen und höher durchlässigen äolischen Fazies. Die bestimmte mittlere Öffnungsweite der Schichtfuge liegt bei 82 ± 12 µm. Mithilfe der ermittelten hydraulischen Eigenschaften konnte somit die effektive hydraulische Durchlässigkeit des untersuchten Sandsteins bestimmt werden. Unsere Ergebnisse verdeutlichen die praktische und robuste Anwendbarkeit des verwendeten Luftpermeameters zur Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeiten von Sandsteinen sowohl im Labor als auch im Gelände.

Investigating rough single fracture permeabilities with persistent homology

“…The block contains one bedding joint with a rough extent of 120 mm in x-direction and 450 mm in y-direction (Figure 1). Previous studies already characterized important hydro-mechanical parameters such as porosity, matrix and fracture permeability, Young's and bulk modulus, thermal dependencies of stress and strain behavior and the mineralogical composition (Frank et al, 2020;Cheng et al, 2020;Fischer et al, 2012;Hale and Blum, 2022;Heidsiek et al, 2020;Hassanzadegan et al, 2012;Blöcher et al, 2019). Of particular interest for this study is the low matrix permeability of 0.1-10 mD, which allows it to be considered almost impermeable (Cheng et al, 2020;Hassanzadegan et al, 2012).…”

“…The fracture sample is a natural bedding joint in a sandstone block taken from a quarry in Bebertal, Germany (Figure 1; Heidsiek et al, 2020;Hale and Blum, 2022). The sandstone is Flechtinger sandstone, an oil and gas reservoir rock in the Northern German Basin.…”

“…An air permeameter was used to experimentally measure the fracture permeability. The transient air permeameter TinyPerm 3 (manufactured by New England Research Inc.) is a portable device, which is able to directly measure matrix permeabilities or hydraulic fracture apertures on outcrops or cores (Filomena et al, 2014;Cheng et al, 2020;Hale and Blum, 2022). For this purpose, the device is filled with air by lifting the piston and the rubber nozzle of the instrument is pressed against the fracture outlet.…”

“…This study uses measurements from Hale et al (2022), which conducted experiments along the long edge (y-direction) of the fractured block and measured the permeability in x-direction. In addition, complementary measurements along the x-axis with permeabilities measured in y-direction were performed in the frame of this study.…”

“…Although, flow-through experiments are a method to investigate flow in fractures directly, it is just possible to predict the flow distribution and preferred flow path within the fracture, if the geometry is replicated with transparent materials. Beside flow-through experiments, air permeameters can be used to determine permeability of fractures (Cheng et al, 2020;Hale et al, 2020;Hale and Blum, 2022). An air permeameter allows to measure permeability of fractures directly on an outcrop or drilling core (Brown and Smith, 2013).…”