Transient effects during Lugeon-tests in boreholes

Hydrogeologiska tester av borrhål har länge varit en viktig metod för att estimera sprickigt bergs hydrogeologiska parametrar såsom transmissivitet och magasinskoefficient. Lugeon-tester är borrhålstester där vatten injekteras i en sektion under konstant tryck som höjs och sänks i steg. Utvärderingen av testet kan ge information om flödet i de vattenledande sprickorna är turbulent eller laminärt samt om det uppstår några geomekaniska effekter, såsom elastisk vidgning av sprickor under testets gång. De ekvationer som rutinmässigt används för utvärdering av testet förutsätter stationärt flöde och tryck i slutet på varje trycksteg, förhållanden som sällan återfinns i verkligheten. Antagandet om stationaritet tros ge en felaktig utvärdering av testet och därför har konsultföretaget Geosigma tagit fram en transient numerisk modell som beskriver Lugeon‑tester och som kan användas för utvärdering av testet. Modellen har i detta examensarbete använts för att utvärdera Lugeon-tester utförda i Rönnskär av Geosigma, men också Lugeon-tester utförda av författaren i Uppsala. Resultatet från utvärderingen har jämförts med utvärderingar med antagande om stationära förhållanden och utvärderingar genomförda med modeller i programvaran AQTESOLV. Dessutom har en känslighetsanalys genomförts för den numeriska modellen. Undersökningar utförda med den numeriska modellen visar att stationära utvärderingar av Lugeon-tester ger en felaktig tolkning av resultatet om stationära förhållanden inte råder. Detta beror på den transienta effekten, där flöde och tryck under ett trycksteg påverkar flöde och tryck under de efterföljande tryckstegen. Utvärderingsmetoden där den numeriska modellen används går ut på att relatera skillnaden mellan modellerat och uppmätt flöde i slutet på varje trycksteg till det rådande differenstrycket i borrhålet. Den nya utvärderingsmetoden ger en säkrare utvärdering av Lugeon-tester eftersom den tar hänsyn till de transienta effekterna. Utvärdering av Lugeon-tester med den nya metoden ger i flera fall andra tolkningar än den stationära utvärderingsmetoden. De båda utvärderingsmetoderna ger samma tolkningar när stationära förhållanden verkligen råder. Utvärderingsmetoden är dock känslig för brusigt data. ISO-standarden 22282-3 beskriver Lugeon-tester och där rekommenderas att tryckstegen skall vara 10-30 minuter långa. Med den numeriska modellen har dock Lugeon-tester med 2 minuter långa trycksteg kunnat utvärderas på ett tillfredställande sätt. Lugeon‑testernas testtid kan således förkortas betydligt i förhållande ISO-standardens vilket skulle innebära en lägre kostnad för att utföra den här typen av tester. Hydraulic testing has long been an important method to estimate hydrogeological parameters, such as transmissivity and storativity for fractured rock. Lugeon-tests are single-borehole tests which are performed by injecting water into a borehole section under constant pressure. The pressure is raised and lowered in steps, called pressure steps. The evaluation of the test can give information if the water flow is turbulent or laminar and if the test gives rise to any geomechanical effects, such as an elastic expansion of fractures. The equations that are used for the evaluation of the test assume that the flow and the pressure are stationary at the end of each pressure step. Stationary conditions are however seldom encountered under field conditions. The assumption of staionarity was believed to give rise to incorrect test evaluations. Geosigma has therefore developed a transient numerical model that can describe the transient lapse and can be used for the evaluation of the test. The model has been used to evaluate Lugeon-tests performed by Geosigma in Rönnskär and Lugeon-tests performed by the author in Uppsala. The results have been compared with stationary evaluations and evaluations performed with models in AQTESOLV. Investigations with the numerical model have shown that stationary evaluations of Lugeon-tests give rise to incorrect interpretations when stationary conditions are not present. This depends on the transient effect, where flow and pressure during one pressure step influence the others. The new evaluation method uses the model to relate the difference between modeled and measured flow to the pressure at the end of a pressure step. The new method gives a more correct evaluation of a Lugeon-test since it takes the transient effects into consideration. Evaluations of Lugeon-tests with the new method often give rise to different interpretations of the geomechanical effects and flow conditions compared to the stationary evaluation. The two methods give the same interpretations if the flow is stationary. The new ISO-standard 22282-3 recommends that the pressure steps should last for 10‑30 minutes. Tests with two minute long pressure steps have been evaluated with the new method with satisfying results. This means that the time it takes to perform a test can be shortened considerably and still receive a good result. In the end the method can cut the costs for performing Lugeon-tests