TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Ingenieurgeologie Geomechanical characterization of sedimentary and crystalline geothermal reservoirs Martin Potten Vollständiger Abdruck der von der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen Prüfer der Dissertation: 1. Prof. Dr. rer. nat. Kurosch Thuro 2. Prof. Dr. mont. Robert Galler 3. Prof. Dr. Michael Drews Die Dissertation wurde am 21.07.2020 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt am 29.10.2020 angenommen. “Part of the Power that would Always wish Evil, and always works the Good.[…] I am the spirit, ever, that denies! And rightly so: since everything created, in turn deserves to be annihilated: Better if nothing came to be. So all that you call Sin, you see, destruction, in short, what you’ve meant by Evil is my true element.” Citation from Faust: A Tragedy, verse 1336 ff. Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832) german poet, dramatist and scientist The Ph.D. supervisor's description of the Ph.D. student's laboratory activities in the course of this work. Abstract I Abstract To use geothermal energy in Bavaria even more, a precise knowledge of the underground, which ser- ves as a reservoir, is essential. The present work examines the most promising areas within Bavaria. It concerns the North Alpine Forland Basin, SE Germany in the area around Munich and the Franconian Basin in NE Bavaria. In the North Alpine Foreland Basin, SE Germany the carbonates of the Upper Jurassic are already suc- cessfully used as a reservoir (also known as Malm aquifer) for hydrothermal geothermal energy. For the characterization of the Upper Jurassic aquifer eleven core drillings were investigated. A total of 449 core samples were taken from depths ranging from 243 m to 5,225 m. The drill cores originated from different stratigraphic intervals, and have different lithologies and facies. In the north–east of Bavaria, petrothermal geothermal energy should be used in the future. In the Franconian Basin there is a demonstrable anomaly with elevated underground temperatures. The reservoir rocks are probably granites below the Franconian Basin, which could be the origin of the geothermal anomaly. Due to the absence of samples from this area, sample material similar to the reservoir rock was examined from twelve outcrops in the Fichtelgebirge. A total of 358 analogue samp- les were produced. These rocks are considered the closest analogue material for the rocks below the Franconian Basin. Drill cores and analogue samples were prepared for laboratory investigations. The resulting test samp- les were characterized geomechanically using both non-destructive as well as destructive testing me- thods. The non-destructive laboratory investigations were ultrasonic tests. The destructive laboratory investigations included Uniaxial Compression Tests, Brazilian Tensile Tests, Point Load Tests, Cerchar Abrasivity Tests and LCPC Abrasivity Tests. All testing results are listed in the appendix of the thesis. The wells/borehole and outcrops are described individually and the most important characteristic va- lues are listed in each case. In addition, the testing results are summarised for the respective reservoir. The testing results of the Upper Jurassic aquifer are classified according to their stratigraphy, lithology and facies. The testing results of the granites from the Fichtelgebirge are classified according to their age of intrusion (G types) and their orientation. The results for the North Alpine Forland Basin, SE Germany show that the Upper Jurassic aquifer has very heterogeneous geomechanical characteristics. No directional dependences of the parameter exa- mined over the different stratigraphic units as well as lithologies was found. For the types of facies in each lithology, most of the values decrease with the increasing particle size. The results of the analogue samples show that if applicable granites present below the Franconian Basin in NE Bavaria have very homogeneous geomechanical characteristics. It is not possible to identify G type and orientation based on the data from the laboratory investigations. In destructive laboratory tests, characteristic value ran- ges were found. In this thesis the determined characteristic values serve as input parameters for various scenarios in the numerical simulation of the borehole stability. For both locations a stress distribution in the near- field of the borehole was carried out with the program RS2 from Rocsience. The depth of failure around the borehole was also determined. II Abstract In the North Alpine Foreland Basin, SE Germany for all lithologies, borehole stability decreases with increasing depth. The depth of failure around the borehole hardly differs between the individual litho- logies when considering the UCS mean values. In NE Bavaria the borehole stability is found to be very low for all G types for all UCS values. If the calculated values for the stress field are correct, a successful drilling in NE Bavaria is unlikely. The determined parameter ranges can be used in the future to check existing models and also create new models. They allow for a more precise understanding of the sedimentary and crystalline reservoirs and a more effective use of geothermal energy in Bavaria. Zusammenfassung III Zusammenfassung Um die Geothermie in Bayern noch stärker nutzen zu können, ist eine genaue Kenntnis des Unter- grunds, welcher als Reservoir dient, zwingend notwendig. Die vorliegende Arbeit untersucht die bei- den aussichtsreichsten Gebiete in Bayern. Es handelt sich um das nördliche Vorlandbecken der Alpen, SO Deutschland in dem Gebiet um München und um das Fränkische Becken in NO Bayern. Im nördlichen Vorlandbecken der Alpen, SO Deutschland werden die Karbonate des Oberjura als Re- servoir (auch bekannt als Malm Aquifer) für die hydrothermale Geothermie bereits erfolgreich genutzt. Für die Charakterisierung des oberjurassischen Karbonatreservoirs wurden elf Kernbohrungen unter- sucht. Es wurden 449 Bohrkerne über einen Tiefenbereich von 243 m bis 5225 m entnommen. Die Bohrkerne stammen aus unterschiedlichen stratigrafischen Intervallen und weisen unterschiedliche Lithologien und Fazies auf. Im Nordosten von Bayern soll in Zukunft die petrothermale Geothermie genutzt werden. Im frän- kischen Becken liegt nachweislich eine Anomalie mit erhöhten Untergrundtemperaturen vor. Bei den Reservoirgesteinen handelt es sich wahrscheinlich um Granite unterhalb des Fränkischen Beckens, die der Ursprung der geothermischen Anomalie sind. Da Proben aus diesem Gebiet nicht vorhanden sind, wurde dem Reservoirgestein ähnliches Probenmaterial aus zwölf Aufschlüssen im Fichtelgebirge un- tersucht. Insgesamt wurden 358 Analogproben hergestellt. Diese Gesteine gelten als das nächstlie- gende Analogmaterial für die Gesteine unterhalb des fränkischen Beckens. Bohrkerne und Analogproben wurden für die Laboruntersuchungen präpariert. Die so erhaltenen Prüf- körper wurden sowohl mit zerstörungsfreien als auch zerstörenden Prüfmethoden geomechanisch charakterisiert. Bei den zerstörungsfreien Laboruntersuchungen handelt es sich um Ultraschallversu- che. Bei den zerstörenden Laboruntersuchungen handelt es sich um die Einaxialen Druckversuche, Spaltzugversuche, Punktlastversuche, Cerchar Abrasivitätsversuche sowie LCPC Abrasivitätsversuche. Alle Messergebnisse sind im Anhang der Arbeit aufgelistet. Die Bohrungen und Aufschlüsse werden einzeln beschrieben und die wichtigsten Kennwerte jeweils genannt. Zudem werden die Messergebnisse für das jeweilige Reservoir zusammengefasst. Dabei wer- den die Messergebnisse des oberjurassischen Karbonatreservoirs nach ihrer Stratigraphie, Lithologie sowie Fazies klassifiziert. Die Messergebnisse der Granite aus dem Fichtelgebirge werden nach ihrem Intrusionsalter (G Typ) sowie ihrer Orientierung klassifiziert. Die Ergebnisse für das nördliche Vorlandbecken der Alpen, SO Deutschland zeigen, dass das oberjuras- sische Karbonatreservoir sehr heterogene geomechanische Kennwerte aufweist. Es findet sich keine direkte Abhängigkeit der untersuchten Parameter über die verschiedenen stratigraphischen Einheiten sowie Lithologien. Für die Faziestypen in den einzelnen Lithologien nehmen die meisten Werte mit zunehmender Partikelgröße ab. Die Ergebnisse der Analogproben belegen, dass gegebenenfalls vor- handene Granite unter dem Fränkischen Becken in NO Bayern sehr homogene geomechanische Kenn- werte aufweisen. Es ist nicht möglich, G Typ und Orientierung anhand der Daten aus den Laborunter- suchungen zu identifizieren. In zerstörenden Laborversuchen wurden charakteristische Wertebereiche gefunden. IV Zusammenfassung Die ermittelten Kennwerte dienen in dieser Arbeit als Eingangsparameter für verschiedene Szenarien bei der numerischen Simulation der Bohrlochstabilität. Für beide Standorte wurde mit dem Programm RS2 von Rocsience eine Spannungsverteilung im Nahfeld des Bohrlochs ermittelt. Ebenso wurde die Auflockerungszone um das Bohrloch bestimmt. Im nördlichen Vorlandbecken der Alpen, SO Deutschland nimmt die Bohrlochstabilität für alle Litholo- gien mit zunehmender Tiefe ab. Die Auflockerungszone um das Bohrloch herum unterscheidet sich unter Berücksichtigung der UCS-Mittelwerte zwischen den einzelnen Lithologien kaum. Im NO Bayern ist die Bohrlochstabilität aller G Typen für alle UCS-Werte sehr