Numerical multi-physics analysis of fracture reactivation in geothermal reservoirs from microscale to macroscale modeling

Ouf, Josselin Noël Marcel; Amann, Florian; Vardon, Philip James

doi:44558

Numerical multi-physics analysis of fracture reactivation in geothermal reservoirs from microscale to macroscale modeling

Ouf, Josselin Noël Marcel^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Josselin Noël Marcel Ouf, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025. - Dissertation, Delft University of Technology, 2025

Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Amann, Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Vardon, Philip James (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04473
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010966/files/1010966.pdf

Einrichtungen

Projekte

EASYGO - Efficiency and Safety in Geothermal Operations (956965) (956965)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
coupled processes (frei) ; fault reactivation (frei) ; numerical modelling (frei) ; thermo-hydro-mechanics modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Geothermie stellt eine vielversprechende Methode zur Erzeugung kohlenstoffarmer Energie dar. Traditionelle Methoden beinhalten das Extrahieren von heißem Wasser aus einer Bohrung und das Einleiten von kaltem Wasser in ein anderes, wohingegen hydrothermales System auf den Fluidfluss durch Poren oder natürliche Brüche im Gestein angewiesen sind. Verbesserte Geothermische Systeme (VGS) werden in geklüfteten/gestörten Gesteinseinheiten eingesetzt, in denen der Fluidfluss unzureichend ist, und für eine bessere Wärmeübertragung eine erhöhte Permeabilität von Brüchen erforderlich ist. Die Herausforderungen bestehen darin, Produktivität, Nachhaltigkeit und Sicherheit zu gewährleisten, wobei die Reaktivierung von Brüchen und Störungen erhebliche Bedenken erheben. Kontinuierliche Fluidextraktion induziert Veränderungen in der Mechanik, der Temperatur und dem Fluiddruck, die das Verhalten von Gesteinsmassen und Klüften signifikant beeinflussen. Brüche und Störungen können Öffnungen, Extension oder Gleiten erfahren, was aufgrund von Kopplungen und Nichtlinearitäten zu rechnerischen Herausforderungen führt. Diskontinuumsmodelle sind oft rechenaufwändig, insbesondere bei der Behandlung mechanischer Kontaktprobleme, was zur Verwendung von 2D- oder teilweise gekoppelten Modellen führt. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz des Äquivalenten-Kontinuum-Modellierens (AKM) vor, um thermo-hydro-mechanische Prozesse in bereits vorhandenen Brüchen zu charakterisieren. Durch Vermeidung rechenaufwändiger Behandlungen, wie der Lösung mechanischer Kontaktprobleme, ist AKM in der Lage, eine vollständig gekoppelte Lösung und einen 3D-Ansatz zu liefern, sodass eine realistischere Erfassung von Flussraten ermöglicht wird, während sie Vereinfachungen wie die reine Dehnung oder Spannung beseitigt. Der Ansatz wurde implementiert und anhand von hydro-mechanischen Labordaten überprüft, wodurch seine Genauigkeit bei der Reproduktion von Bruchdruck und Flussrate bestätigt wurde. Der Einfluss der Injektion auf Permeabilitätsänderungen während der Bruchstimulation wird berechnet, wobei eine zweifache, größtenteils nicht wiederherstellbare, Zunahme der Permeabilität festgestellt wird. Der Ansatz wurde durch Hochskalierung an mesoskaligen Daten und analytischen Lösungen überprüft, wodurch seine Genauigkeit bei der Reproduktion von Bruchdruck und Flussrate weiter bestätigt. Darüber hinaus zeigen die numerische Reproduktion und die Analyse von Wasserzirkulationsdaten eine hohe Genauigkeit. Außerdem wird der Einfluss der Injektion auf Permeabilitätsänderungen während der Bruchstimulation berechnet, wobei eine zehnfache Zunahme der Permeabilität festgestellt wird, wobei ein erheblicher Teil wiederherstellbar ist. Durch die Integration von Temperatur in die Modellierungsumgebung wird die Ausbreitung von Abkühlungsfronten in hydrothermalen Systemen untersucht, wobei ihre Auswirkungen auf Änderungen der Bruchspannung analysiert und ihre Implikationen diskutiert werden. Schließlich wird die Bruchfläche der reaktivierten Störung quantifiziert und festgestellt, dass eine Steifigkeitserhöhung der Störung die Bruchfläche vergrößert.

Geothermal energy stands as a promising avenue for low-carbon energy production. Traditional methods involve extracting hot water into one well and the injection of cold water in another, with hydrothermal systems relying on fluid flow through either pores or natural fractures in rock. Enhanced Geothermal Systems (EGS) are deployed in fractured/faulted rock settings where fluid flow is insufficient, necessitating enhanced permeability of fractures for improved heat transfer. Challenges persist in ensuring productivity, sustainability, and safety, with fault and fracture reactivation presenting significant concerns. Continuous fluid extraction induces changes in mechanics, temperature, and fluid pressure, impacting rock mass and joints behavior significantly. Faults and fractures may experience opening, extension, or sliding, posing computational challenges due to couplings and nonlinearity. Discontinuum models are often computationally expensive, particularly in addressing mechanical contact problems, leading to the use of 2D or partially coupled models. This thesis proposes an Equivalent Continuum Modeling (ECM) approach to characterize thermo-hydro-mechanical processes in pre-existing fractures. By avoiding computationally intensive treatments, such as solving mechanical contact problems, ECM is able to deliver a fully coupled solution and a 3D approach, facilitating a more realistic capture of flow rates while eliminating simplifications such as plain strain or stress. The approach has been implemented and benchmarked against hydro-mechanical laboratory data, confirming its accuracy in reproducing fracture pressure and flow rate. The impact of injection on permeability changes during fracture stimulation is calculated, revealing a twofold increase in permeability, which is largely unrecoverable. Upscaling the approach, it was benchmarked against mesoscale data and analytical solutions, further confirming its accuracy in reproducing fracture pressure and flow rate. Furthermore, the numerical reproduction and analysis of water circulation data exhibit high accuracy. Moreover, the impact of injection on permeability changes during fracture stimulation is calculated, revealing a tenfold increase in permeability, with a significant portion being recoverable. Incorporating temperature into the framework, the investigation of the propagation of cooling fronts in hydrothermal systems is conducted, analyzing their effect on fault stress changes and discussing their implications. Lastly, the ruptured area of the reactivated fault is quantified, finding that an increase in fault stiffness increases the ruptured area.

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