Original paper

Geomechanical behaviour of pelitic rocks with diagenetically caused different strengths becoming effective in deep geothermal boreholes

Lempp, Christof; Witthaus, Martin; Röckel, Thomas; Hecht, Christian; Herold, Martina

Abstract

A different state of strength due to the diagenetic consolidation in pelitic rocks (mudstone, brittle shales, schists) causes problems with borehole stability during the drilling process of deep holes. Breakouts of the wall take place as well as convergence of the diameter of the borehole. Based on several projects of deep geothermal boreholes in the Upper Rhine region the interaction between the regional stress field, the strength and deformability of the fine-grained rocks and the varying conditions due to the drilling operations was investigated. The regional stress field directly influences the loading capacity around the borehole. The anisotropy of the regional stress field is of similar importance for the borehole stability as the effects of the pore fluid pressure conditions in the rock formation, because these change during the drilling operations in a complex manner, and therefore they change the strength and deformability of the pelitic rocks at the wall of the borehole. These interactions between pore fluid pressure and geomechanical rock behaviour in relation to drilling operational experiences were systematically tested by triaxial tests in the lab. These can be used as basic results for a first approach to a drilling conception, which may avoid expensive operations due to borehole instabilities.

Kurzfassung

Der unterschiedliche Verfestigungszustand pelitischer Sedimente (Tonsteine, Schiefertone, Tonschiefer) führte beim Abteufen von tiefen Bohrungen häufig zu Problemen wegen ungenügender Bohrlochstabilität. Es traten Bohrlochwandausbrüche ebenso auf wie Konvergenzen des Bohrungsquerschnitts. Am Beispiel tiefer Geothermiebohrungen im Oberrheingebiet wurden die Zusammenhänge zwischen regionalem Spannungsfeld, festigkeitsmechanischen Eigenschaften des Gesteins und Einwirkungen aus dem Bohrprozess untersucht. Das regionale Spannungsfeld beeinflusst unmittelbar die Belastbarkeit des Gebirges in der Bohrlochumgebung. Für die Bohrlochinstabilitäten wurden neben der Anisotropie des regionalen Spannungsfeldes vor allem die beim Bohren wechselnden Porenfluiddruckbedingungen am Bohrlochrand und deren Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften der Pelitgesteine als maßgebliche Ursachen festgestellt. Diese konnten durch systematische geomechanische Triaxialversuche an den entsprechenden Gesteinen und Vergleichen mit den operationellen Bohrungserfahrungen belegt werden. Damit ergeben sich Ansätze für eine Bohrstrategie, welche solche kostenträchtigen Bohrlochinstabilitäten zu minimieren verspricht.

Keywords

borehole stabilitygeothermal resourcespelitic rockstriaxial testingpore fluidpore pressureupper rhine regionregional stress fieldgeomechanical behaviour