Authors:	Martínez Montesinos, Beatriz
Title:	Numerical approaches to model and monitor geomechanical reservoir integrity
Online publication date:	14-Jun-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	The emergence of new ideas to obtain energy from the earth subsurface and to store radioactive waste on it impels us to further investigate the response of geological media to forces and temperature variations. For instance, injection of water into wells at high pressures to create fractures and increase permeability of rocks is a widely employed technique to enhance geothermal systems or gas reservoirs. Therefore, increasing our understanding about how such actions influence and are affected by the local stress state of the reservoir and how fractures propagate through it is necessary to efficiently develop extraction projects and, hopefully, to avoid undesired side effects. Also, placing nuclear waste in repositories below the surface monitored by acoustic transmission of seismic signals is currently under investigation. Whereby, an optimal knowledge about how the heterogeneity of the medium and its changes are reflected on the seismic waves is necessary for the correct interpretation of the collected signals. The physics involving these geological processes can be approximately expressed in a mathematical way through the laws of physics and the constitutive relationship of materials deriving in a set of partial differential equation whose complexity depends on the adopted physical model and the rheology of materials to be modelled. As, in most cases, the governing equations are not susceptible to analytical solutions, efficient numerical methods and software are required to simulate realistic problems. We present, by a compilation of current theories, a general mathematical model describing the physics of poro-visco-elasto-plastic geological media. Moreover, on the one hand, we present a computational massively-parallel 3D code to model fluid injection and crack propagation in poro-visco-elasto-plastic rheologies. We reproduce existing 2D benchmarks and give some examples of 3D cases. The results show the importance of the initial stress conditions on the development of failure zones and give a generalization of failure patterns generated from a local increase of pore pressure. Furthermore, we perform simulations of hydraulic fracturing for Well KM-8, UK, showing the significant influence of the permeability of rocks and its changes after fracturing on the development of failure areas. On the other hand, we use the wave propagation software Sofi2D to simulate the seismic monitoring of a deep circular backfilled tunnel with the aim of increasing our ability to understand path effects and, therefore, to infer the situation inside a nuclear waste repository over time. We apply our results on the Full-Scale Emplacement Experiment at the Mont Terri underground rock laboratory. Die Entstehung neuer Ideen zur Gewinnung von Energie aus dem Untergrund der Erde und zur Lagerung radioaktiver Abfälle veranlasst uns dazu, die Reaktion geologischer Materialien auf Kraft- und Temperaturschwankungen weiter zu untersuchen. Beispielsweise ist die Injektion von Wasser in Bohrlöchern bei hohen Drücken, um Brüche zu erzeugen und die Permeabilität von Gesteinen zu erhöhen, eine weit verbreitete Technik, um die Förderrate in geothermischen Systemen oder Kohlenwasserstoffspeichern zu verbessern. Daher ist ein besseres Verständnis, wie sich solche Aktionen auf den lokalen Spannungszustand des Reservoirs auswirken und von diesem beeinflusst werden, und die Art und Weise, wie sich Risse durch dieses ausbreiten, notwendig, um solche Projekte effizient zu entwickeln und unerwünschte Nebenwirkungen bestmöglich zu vermeiden. Momentan wird zudem erwogen, Endlager für radioaktiven Abfall mit Hilfe akustischer Übertragung seismischer Signale zu überwachen. Hierfür ist ein optimaler Wissensstand, über den Einfluss der Heterogenität des Materials und wie diese die seismischen Wellen beeinflusst, notwendig, um die gesammelten Signale korrekt zu interpretieren. Die zugrundeliegende Physik der geologischen Prozesse, kann durch die Gesetze der Physik und die konstitutiven Beziehungen der Materialien, die durch einen Satz partieller Differentialgleichungen abgeleitet werden, angenähert werden. Jedoch hängt deren Komplexität stark von dem verwendeten physikalischen Modell und der Rheologie der zu modellierenden Materialien ab. Da die maßgebenden Gleichungen in den meisten Fällen nicht analytisch lösbar sind, sind effiziente numerische Methoden und Software erforderlich, um die genannten Probleme realitätsnah zu simulieren. Durch eine Zusammenfassung aktueller Theorien, präsentieren wir in dieser Arbeit ein allgemeines mathematisches Model, welches die Physik poro-visko-elasto-plastischer geologischer Materialien beschreibt. Zum Einen stellen wir einen neuen, massiv-parallelen 3D Code vor, um Fluid Injektionen und Rissausbreitung in poro-visko-elasto-plastischen Rheologien zu modellieren. Mit Diesem können wir bestehende 2D Benchmark-Tests reproduzieren und einige Beispiele in 3D vorstellen. Die Resultate zeigen den Einfluss der initialen Spannungsbedingungen auf die Entwicklung von Schwächezonen und erlauben eine Generalisierung von, durch lokalen Porendruckanstieg ausgelösten, Schwächemustern. Weiterhin haben wir Simulationen hydraulischer Frakturierung für Well KM-8, UK, durchgeführt, die den signifikanten Einfluss von Gesteinspermeabilität und dessen Änderungen nach der Frakturierung auf die Entwicklung des Versagensbereiches, anzeigen. Zum Anderen nutzen wir die Wellenausbreitungs-Software Sofi2D zur Simulation seismischer Beobachtungen eines tiefen, runden, verfüllten Tunnels, um unser Verständnis von Pfadeffekten zu verbessern und dadurch auf die Situation in Lagern radioaktiven Abfalls rückschließen zu können. Wir wenden unsere Resultate auf das Full- Scale Emplacement Experiment des Mont Terri Untergrund-Felslabors an.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1985
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000028208
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xv, 136 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen