Echte triaxiale hydraulische Frakturierungsexperimente und FDEM-Simulationsstudie von kohleführenden Gesteinsschichten

Warum Gesteinsrisse für Energie und Sicherheit wichtig sind

Hydraulische Frakturierung wird häufig verwendet, um Gas aus Kohleflözen und anderen tiefen Gesteinen zu gewinnen, doch unterirdische Schichten sind selten homogen. Kohleflöze liegen zusammen mit härteren und weicheren Gesteinen, getrennt durch natürliche Schwächezonen. Wenn unter Druck stehende Flüssigkeit injiziert wird, verlaufen die entstehenden Risse nicht immer in die von Ingenieuren beabsichtigten Richtungen. Diese Studie untersucht, wie sich Risse in solchen geschichteten Kohleformationen tatsächlich verhalten, und hilft so, die Gasförderung zu verbessern und Risiken wie unerwünschten Wassereintritt oder Einsturzgefahr in Bergwerken zu verringern.

Wie das Team Tiefengestein im Labor nachstellte

Die Forschenden bauten blockförmige Proben aus realer Kohle und Sandstein, die im Feld entnommen wurden. Sie schichteten drei Lagen mit unterschiedlicher Festigkeit und ordneten sie in mehreren Mustern an, die übliche Geologien von Kohlef eldern nachbilden: Kombinationen aus hartem und mittelhartem Sandstein, weicherem Siltstein und Kohle. Ein zentrales Bohrloch diente als Bohrloch. Die Blöcke wurden dann in eine echte triaxiale Presse gelegt, die sie aus drei Richtungen zusammendrücken kann, um die Spannungen in mehreren Kilometern Tiefe zu reproduzieren, während eine Pumpe Wasser mit kontrollierten Raten injizierte, um Risse zu erzeugen.

Beobachten, wie Risse sich durch geschichtete Gesteine ausbreiten

Nach jedem Versuch wurden die Oberflächen der Blöcke untersucht, um zu zeigen, wo flüssigkeitsgefüllte Risse verlaufen waren. Das Team stellte fest, dass die Rissmuster von oben nach unten stark ungleichmäßig waren. Anstelle eines einzigen sauberen vertikalen Bruchs zeigten die Proben sieben Hauptformen: einfache gerade Risse, sich schneidende Kreuze, T- und Plusformen sowie komplexere Muster. Ob ein Riss eine Grenze durchschlug, an ihr stoppte oder abbog und seitlich weiterlief, hing stark von zwei Faktoren ab: der Richtung und dem Unterschied der vorherrschenden Spannungen sowie davon, wie viel stärker eine Schicht im Vergleich zu ihrer Nachbarin war.

Verbindung von Drucksignalen mit verborgenen Rissnetzwerken

Während jedes Experiments wurde der Pumpendruck in Echtzeit aufgezeichnet. Der Druck stieg beim erstmaligen Aufbrechen des Gesteins stets schnell zu einem Gipfel an, fiel dann ab und lief auf einem schwankenden Niveau ein, bevor er beim Abstellen der Pumpe wieder sank. Wenn ein wachsender Riss auf eine natürliche Schwächezone oder eine Schichtgrenze traf, zeigte die Druckkurve scharfe Einbrüche oder zusätzliche Auslenkungen. Die Studie fand, dass große, saubere Druckabfälle tendenziell mit einfacheren Rissformen einhergingen, während laute, stark schwankende Drucksignale auf komplexere, verzweigende Rissnetze hindeuteten, die entweder an den Schnittstellen entlangliefen oder diese durchquerten.

Risse simulieren, um ins Gestein zu blicken

Um über die Oberflächen hinauszusehen, nutzten die Autoren eine numerische Technik, die Elemente der Finite-Elemente- und der Diskreten-Elemente-Methoden kombiniert. Einfach gesagt, teilten sie das Gestein in viele kleine Teile und erlaubten virtuellen Rissen, sich entlang der Verbindungen zwischen diesen Teilen zu öffnen oder zu verschieben, während der Fluiddruck anstieg. Durch Anpassung der Eingabeparameter an die Labortests reproduzierten die Simulationen, wie Risse in einer bestimmten Schicht entstehen, mit Grenzflächen interagieren und entweder durchdringen, abbiegen oder verzweigen. Das Team führte einen einzigen Index ein, den Koeffizienten des lithologischen Festigkeitsunterschieds, um zu erfassen, wie unterschiedlich die beiden Seiten jeder Grenze in Steifigkeit und Zugfestigkeit sind.

Was steuert, ob Risse durchqueren oder abbiegen

Die kombinierten Experimente und Simulationen zeigen, dass sowohl Spannung als auch Gesteinskontrast die Risspfade lenken. Wenn die vertikale Spannung die größte Komponente ist und ihr Unterschied zur horizontalen Spannung groß ist, wachsen Risse leichter nach oben oder unten durch Grenzen hindurch. Trifft ein Riss, der in weicherem Gestein begonnen hat, auf eine härtere Schicht, neigt er dazu, langsamer zu werden oder abzulenken und entlang der Grenze zu laufen. Beginnt er in härterem Gestein und bewegt sich in Richtung weicheren Materials, erhöht ein größerer Festigkeitskontrast die Wahrscheinlichkeit, dass er gerade hindurchschlägt und dabei oft T- oder ähnliche Formen bildet. Schwache Grenzflächen begünstigen seitliches Wachstum entlang der Grenze und erzeugen T- und kammartige Muster statt hoher Brüche.

Was das für Energiegewinnung und Bergbau bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Botschaft: Unterirdische Schichtung und Spannung sind ebenso wichtig wie die Pumpkraft, wenn es darum geht, wohin hydraulische Risse laufen. Durch Messung der Festigkeit unterschiedlicher Schichten und ihrer Schnittstellen und durch die Wahl, ob man das Fracturing in einer harten oder weichen Schicht beginnt, können Ingenieure Risse besser lenken, damit sie innerhalb einer Kohlenlage bleiben oder — wenn gewünscht — mehrere Schichten verbinden. Das Lesen der Druckkurve während eines Einsatzes kann ebenfalls Hinweise darauf geben, wie komplex das verborgene Rissnetz geworden ist. Zusammengenommen helfen diese Erkenntnisse, die Stimulation von Coalbed-Methane- und anderen geschichteten Lagerstätten sicherer und effizienter zu gestalten.

Zitation: Ma, J., Dong, G., Wang, H. et al. True triaxial hydraulic fracturing experiments and FDEM simulation study of coal-measure rock strata. Sci Rep 16, 15372 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46948-2

Schlüsselwörter: Hydraulische Frakturierung, Grubengas (Coalbed Methane), geschichtetes Gestein, Rissausbreitung, Gesteinsmechanik