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TU Berlin

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Untersuchungen der Mikrostruktur von Sandsteinen mittels Ultraschallmessungen bei hydrostatischen Drücken bis 220 MPa

Projektleitung: Prof. Dr. H. Burkhardt
Mitarbeiter: Dipl.-Phys. S. Mayr
Förderung: aus Grundausstattung des Fachgebietes
Zeitraum: ab 1.11.95 bis 30.9.02

Projektbeschreibung:

Ziel ist die Verfeinerung der bisherigen Vorstellungen der Vorgänge bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen in trockenen und fluidgesättigten Sandsteinen und deren Beeinflussung durch

  • Makrostruktur (Porosität, hydraulische Permeabilität, Kornverteilung Elastizitäts-, Schermodul, Scherfestigkeit)
  • Mikrostruktur (Rißdichte, -verteilung, -größe ,-geometrie, Korn-Korn-Kontakt) und
  • Porenfluid

Insbesondere: Veränderung der Mikrostruktur (z.B. Rißschließung, Geometrieveränderung) bei erhöhtem hydrostatischem Druck.

Gesamtziel:

Beitrag zur lithologischen Interpretation seismischer Messungen.

Bisherige Arbeiten am Institut:

Experimentelle und theoretische Arbeiten seit 1983 von Burkhardt, Möhrig, Paffenholz, Schütt, Witka und Wulff.

Experimentelle Arbeiten:

Bestimmung der seismischen Attribute vp, vs, Qp, Qs von Sandsteinen im

  • seismischen Frequenzbereich: (Paffenholz, Mörig) bei Normaldruck
  • akustischen Frequenzbereich: (Witka) bei Normaldruck
  • Ultraschallbereich (Schütt; Wulff) unter einaxialen und hydrostatischen Druckbedingungen.

Theoretische Arbeiten:

  • Modellierungen mit dem global-fluid-flow Modell von Biot (1956) und dem local-fluid-flow
    Modell von Murphy, Winkler und Kleinberg (1986)
  • Entwicklung eines Gesteinsmodells, welches die Abhängigkeit der seismischen Parameter von der Mikro- und Makrostruktur der Gesteine in allen Frequenzbereichen beschreibt. (Möhrig, 1993 und Wulff 1995).

Geplante und laufende Arbeiten:

  • Hochdruckversuche mit P-Wellen und S-Wellen im Ultraschallfrequenzbereich.
  • Experimente an trockenen und teilgesättigten Gesteinen, verschiedene Porenfluide.
  • Modellierungen mit den Modellen von Murphy, Biot, bzw. einer Kombination aus beiden (BISQ).
  • Hinzuziehung weiterer (petrophysikalischer) Labormessungen (Innere Oberfläche, Schliffe, NMR) für Modellierungen.
  • Statische Deformationsmessungen bei hydrostatischen Druckbedingungen.
  • Verwendete Gesteine: Obernkirchner Sandstein sowie weitere Gesteine mit unterschiedlicher Mikro- und Makrostruktur.

Experimentelle Ausstattung für Messungen im Ultraschallbereich:

  1. Hochdruckautoklav (s. Abb. 1) betrieben bis 220 MPa, entspricht grob einer Tiefe von 8 km.
  2. Einaxiale hydraulische Presse manuell steuerbar, Druck > 60 Mpa bei einem Probendurchmesser von 8 cm.
  3. Meßzellen (s. Abb. 2) Piezoschwinger fest in Meßzellen für eingebaut für Transmissionsmessungen. Ankopplung der Proben an die Buffer der Meßzellen mittels Aluminiumfolie.
    a. Druckfeste Meßzelle mit P-Schwinger Frequenzbereich: von 300 kHz - 1 MHz (P-Wellen) für Proben mit 5 cm Durchmesser und bis zu 4 cm Höhe.
    b. Druckfeste P- S- Wellen Meßzelle (s. Abb. 3) Frequenzbereich: von 300 kHz - 1 MHz (P-Wellen) bzw. 500 kHz - 5 MHz (S-Wellen). für Proben mit 8 cm Durchmesser und bis zu 4 cm Höhe.
    c.  Fest in einaxiale Presse eingebaut: Meßzelle mit 3 Piezoschwingern (2 P und 1 S), Frequenzbereich: von 300 kHz - 1 MHz (P-Wellen) bzw. 500 kHz - 5 MHz (S-Wellen).
  4. Datenerfassung:
    Tektronix Digitizing Oszilloskop 11402 mit 11A52 Two Channel Amplifier. Samplingintervall: von 10 ns, Auflösung 10 bit, durch 64-fach Stapeln erhöht. (Schematischer Aufbau der Ultraschallapparatur s. Abb. 4)
Hochdruckautoklav
Lupe
Prinzipskizze: Meßzelle
Lupe
Druckfeste P- S-Wellen-Meßzelle
Lupe
Schematischer Aufbau der Ultraschallapparatur
Lupe

Publikationen und Dissertationen:

Burkhardt, H., R. Mörig and R. Schütt, 1990. Experimental and theoretical investigations of seismic wave absorption mechanisms in sedimentary rocks. In: Application of Absorption of Seismic Waves in Hydrocarbon Exploration, DGMK-report 386, 141-199, German Soc. for Petroleum Sciences and Coal Chemistry, Hamburg.

Burkhardt, H., R. Mörig and R. Schütt, 1992. Laboratory investigations on rock samples to establish further fundamentals for the lithological interpretation of seismic measurements. In: Evaluation of Lithologic Parameters in Hydrocarbon Reservoirs by Simultaneous Application of Compressional and Shear Waves, DGMK-report, 397, 241-279, German Soc. for Petroleum Sciences and Coal Chemistry, Hamburg.

Lebedev, E.B., Ryzhenko, B.N., Dorfman, A.M., Zebrin, S.R., Sokolova, N.T., Burkhardt, H., Mörig, R. and A.-M. Wulff, 1996. Influence of fluids on the elastic properties of sandstone at high pressure and temperature. Geophys.Res.Letters, 23, 3115-3118.

Mayr, Sibylle, Der Einfluß der Mikrostruktur auf die Ultraschalleigenschaften von Sandsteinen bei hydrostatischen Druckbedingungen

Mörig, R. and H. Burkhardt, 1990. Experimental evidence for the Biot-Gardner theory. Geophysics, 54, 524-527.

Mörig, R., R. Schütt and H. Burkhardt, 1990. Velocity and absorption in sedimentary rocks at seismic and ultrasonic frequencies. (Extended abstract). EAEG/SEG Research Workshop "Estimation and practical use of seismic velocities". Cambridge.

Mörig, Rainer, 1993. Zusammenhang von seismischen und lithologischen Parametern
sedimentärer Festgesteine. Dissertation, VWF, Berlin.

Mörig, R., H. Burkhardt und A.-M. Wulff, 1994. Untersuchungen zum Zusammenhang von seismischen und lithologischen Parametern sedimentärer Festgesteine. Extended abstract, Kolloquium "Gesteinsmodelle-Petrophysik und Umwelt", Bucha/Sachsen.

Paffenholz, J., 1986. Bestimmung der Absorption natürlicher Sediment-gesteinsproben im seismischen Frequenz- und Amplitudenbereich. Dissertation, Berlin.

Paffenholz, J. and H. Burkhardt, 1989. Absorption and modulus measurements in the seismic frequency and strain range on partially saturated sedimentary rocks. J.Geophys.Res., 94 (7), 9493-9507.

Schütt, Rainer, 1992. Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Dämpfung und Geschwindigkeiten von Kompressionsscherwellen in Sedimentgesteinen bei Ultraschallfrequenzen. Dissertation, Berlin.

Witka, Thomas, 1992. Bestimmung der Absorption von seismischen Wellen an Proben
natürlicher Sedimentgesteine im akustischen Frequenzbereich. Dissertation, Berlin.

Wulff, A.-M. and H. Burkhardt, 1996. The influence of local fluid flow and the microstructure on elastic and anelastic rock properties. Surveys in Geophysics 17, 347-360.

Wulff, Angelika, 1995. Absorptionsmechanismen bei Ultraschallwellen in fluidhaltigen Sandsteinen unter verschiedenen Druckbedingungen. Dissertation, TU-Berlin, Berliner Geowissenschaftl. Abhandlungen.

Wulff, A.-M. and H. Burkhardt, 1997. Mechanisms affecting ultrasonic wave propagation in fluid-containing sandstones under high hydrostatic pressure. J.Geophys.Res., 102, 3043-3050.

Wulff, A.-M. and H. Burkhardt, 1997. Dependence of seismic wave attenuations and velocities in rock on pore fluid properties. Phys. and Chem.Earth, 22, 69-73.

Literatur:

Biot, M.A., 1956. Theorie of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid. I. Low-Frequency Range: J. Acoust. Soc. Am., 28,168-178.

Biot, M.A., 1956.Theorie of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid. II. Higher Frequency Range: J. Acoust. Soc. Am., 28,179-191.

Dvorkin, J., Nolen-Hoeksema, R., and Nur, A. 1994. The Squirt-flow mechanism: macroskopic description. Geophys., 59, 428-438.

Dvorkin, J. and Nur, A. 1993. Dynamic poroelasticity: A unified model with the squirt and the Biot mechanisms. Geophys., 58, 524-533.

Murphy, W.F., Winkler, K.W. and Kleinberg, R.L., 1986. Acoustic relaxation in sedimentary rocks: Dependence on Grain contact and fluid saturation: Geophysics, 51, 757-766.

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