Characterization of fractured porous media using multivariate statistics and hydraulic travel time tomography

Abstract

Fractured hard rocks are important in engineering, geotechnical, and hydrogeological practice because they act as hydraulic conductors providing pathways for fluid flow or barriers that prevent flow across them. In this thesis fractured porous media such as sandstones, which show a significant permeability of the matrix, are treated. In comparison to low permeable hard rocks such as granite and gneiss, fractured porous media show significant storage, flow, and transport e.g. of contaminants within the matrix. This has to be taken into account by the evaluation of flow and transport experiments. A fundamental step in understanding and predicting the behavior of fractured porous aquifers involves the identification of the spatial distribution of hydraulically significant features. Therefore, high resolution flow and transport data sets are required. Two different approaches are applied in order to evaluate high resolution flow and transport experiments arranged in a tomographical array. First, a multivariate statistical approach for the analysis of meso-scale flow and transport experiments is proposed. Within the statistical approach flow and transport measurements are classified into quasihomogeneous groups in order to determine properties and parameter zonation, which control flow and transport. The methodology was applied to a data set of gas flow and tracer experiments conducted to a gas saturated, fissured sandstone block of 60 × 60 × 60 cm3 in size. The agreement of the classification results with a geological surface mapping and numerical simulations show that it is possible to characterize and simplify complex systems without losing essential information about the investigated system. In the second part a travel time based hydraulic tomographic approach is proposed. The approach provides the inversion of travel times of hydraulic or pneumatic tests conducted in a tomographic array. The inversion is based on the relation between the peak time of a recorded transient pressure curve and the diffusivity of the investigated system. The development of a transformation factor enables the inversion of further travel times besides the peak time of a transient curve. As the early travel times of the curve are mainly related to preferential flow features while the inversion based on late travel times reflect an integral behavior, it can be assumed that the different inversion results reflect the properties of the overall system. The method has been applied to data from a set of pneumatic short term tests conducted to a gas saturated fractured sandstone cylinder with a height of 34 cm and a diameter of 31 cm. The three-dimensional reconstructions of the diffusivity distribution are found to be highly reliable and robust. In particular, the mapped fracture of the sandstone cylinder coincides with the reconstructed diffusivity distribution. In order to get a better insight of the hydraulic travel time approach, synthetic data sets are used. The synthetic data sets comprise simulated slug tests conducted in a tomographical array. The main focus of the synthetic study is to appraise the influence of the various travel times on the inversion results in dependence of the permeability distribution of the investigated geological medium. The inversion results are showing a strong dependence on the used travel times. The comparison of the different reconstructions based on different travel times with the forward model allows the verification and appraisal of the quality of the inversion. Hence, it is possible to suggest which travel time is most suited to reconstruct a certain subsurface structure.

Geklüftete Festgesteine sind wichtig im Rahmen der ingenieurtechnischen, geotechnischen und hydrogeologischen Praxis, da sie entweder als hydraulische Leiter agieren und somit bevorzugte Fließpfade für Fluide darstellen oder sie die Eigenschaften von Geringleiter aufweisen und somit hydraulische Barrieren darstellen. In dieser Arbeit werden geklüftet poröse Festgesteine untersucht, die eine signifikante Matrixpermeabilität aufweisen. Im Vergleich zu gering durchlässigen Festgesteinen wie Granit oder Gneis weisen geklüftet poröse Medien bedeutende Speicher-, Strömung- und Transportkapazitäten auf, was sich z.B. auf den Transport von Schadstoffen innerhalb der Matrix auswirkt. Dies muss bei der Auswertung von Strömungs- und Transportexperimenten berücksichtigt werden. Ein grundlegender Schritt zum Verständnis und zur Vorhersage des Verhaltens von geklüftet porösen Aquiferen ist die Identifizierung der räumlichen Verteilung hydraulisch signifikanter Merkmale. Dafür werden hochauflösende Strömungs- und Transportdatensätze benötigt. Zur Auswertung der hochauflösenden Strömungs- und Transportexperimente, die unter Verwendung einer tomographischen Messanordnung aufgezeichnet worden sind, werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt.

Zuerst wird ein multivariater statistischer Ansatz für die Analyse von Strömungs- und Transportexperimenten vorgestellt. In diesem statistischen Ansatz werden Strömungs- und Transportmessungen in quasi homogene Gruppen eingeteilt, um die Eigenschaften und Parameterzonierung, die Strömung und Transport kontrollieren, zu bestimmen. Mit dieser Methode sind Strömungs- und Transportexperimente ausgewertet worden, die an einem gasgesättigten, geklüfteten Sandsteinblock mit einer Kantenlänge von 60 cm durchgeführt wurden. Die Klassifikationsergebnisse stimmen mit der geologischen Oberflächenkartierung und den numerischen Simulationen überein. Dies zeigt, dass es mit Hilfe des verwendeten Ansatzes möglich ist, komplexe Systeme zu charakterisieren und zu vereinfachen, ohne dass wichtige Systeminformationen verloren gehen.

Im zweiten Teil wird ein auf Laufzeiten basierender Ansatz zur hydraulischen Tomographie vorgestellt. Dieser Ansatz umfasst die Inversion von Laufzeiten hydraulischer oder pneumatischer Tests, die unter Verwendung einer tomographischen Messanordnung aufgezeichnet worden sind. Die Inversion beruht dabei auf dem Zusammenhang zwischen der Laufzeit der maximalen Signaländerung eines aufgezeichneten instationären Signals und der Diffusivität des untersuchten Systems. Die Entwicklung eines Transformationsfaktors ermöglicht die Inversion von weiteren Laufzeiten, neben der Laufzeit der maximalen Änderung eines instationären Signals. Da frühe Laufzeiten einer aufgezeichneten Druckkurve überwiegend bevorzugte Flieswege und spätere Laufzeiten das integrale Verhalten des untersuchten Systems widerspiegeln, kann davon ausgegangen werden, dass die unterschiedlichen Inversionsergebnis das Verhalten des Gesamtsystems repräsentieren. Mit diese Methode wurden Daten von pneumatischen Kurzzeittests ausgewertet. Diese Daten sind an einem gasgesättigten, geklüfteten Sandsteinzylinder mit einer Höhe von 34 cm und einem Durchmesser von 31 cm aufgezeichnet worden. Die Ergebnisse der dreidimensionalen Diffusivitätsrekonstruktionen haben sich als zuverlässig und stabil erwiesen. Insbesondere zeigt die dreidimensionale Rekonstruktion der Diffusivitätsverteilung eine hohe Übereinstimmung mit der Lage der Kluft innerhalb des Zylinders. Um neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der hydraulische Laufzeittomographie zu gewinnen, sind synthetische Datensätze verwendet worden. Die synthetischen Datensätze umfassen Slug-Tests, die unter Verwendung einer tomographischen Messanordnung modelliert worden sind. Ziel der synthetischen Fallstudie ist, den Einfluss unterschiedlicher Laufzeiten auf das Inversionsergebnis, in Abhängigkeit von der Permeabilitätsverteilung des untersuchten geologischen Mediums, zu bewerten. Die Inversionsergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit von den verwendeten Laufzeiten. Durch einen Vergleich zwischen den Diffusivitätsrekonstruktionen, die auf unterschiedlichen Laufzeiten basieren, und dem verwendeten Vorwärtsmodell ist es möglich, die Qualität der Inversionsergebnisse zu bewerten und zu überprüfen. Somit kann eine Inversionsstrategie vorgeschlagen werden, die für den jeweiligen Untergrund am besten geeignet ist.