“Study of near-borehole thermo-hydro-mechanical processes”

Luo, Wen; Amann, Florian; Vardon, Phil

doi:10.18154/RWTH-2026-02918

“Study of near-borehole thermo-hydro-mechanical processes”

Luo, Wen^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wen Luo, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-94-6518-247-6

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026. - Dissertation, Technische Universität Delft, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der Technischen Universität Delft. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02918
DOI: 10.4233/uuid:75953590-d68d-428a-94b5-1e25a7255677

URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1030311/files/1030311.pdf
URL: https://doi.org/10.4233/uuid:75953590-d68d-428a-94b5-1e25a7255677

Einrichtungen

Projekte

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cohesive interface element (frei) ; distributed acoustic sensing (frei) ; geothermal energy (frei) ; micro-seismic monitoring (frei) ; soft stimulation (frei) ; source mechanism (frei) ; thermo-hydro-mechanical processes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Nahe-Bohrloch gekoppelte thermo-hydro-mechanische (THM) Prozesse sind entscheidend für den Erfolg oder Misserfolg geothermischer Projekte. Ein Rückgang der Injektivität infolge von Verstopfung oder der erhöhten Viskosität von kaltemWasser verringert das sichere Betriebsfenster geothermischer Projekte. Demgegenüber wird angenommen, dass Frakturierung imNahbereich des Bohrlochs, als Folge von gekoppelten THM-Prozessen, möglicherweise dazu beitragen kann, die Re-Injektionsleistung aufrechtzuerhalten oder zu verbessern. Das Verständnis und die Simulation solcher Frakturierungsprozesse sind daher von großer Bedeutung – sowohl für die Analyse der Re-Injektion als auch für die Planung von Stimulationsmaßnahmen. Diese Dissertation stellt ein geomechanischesWerkzeug vor, das auf der Finite-Elemente-Methode und dem Cohesive-Zone-Modell basiert, umdie Initiierung und Ausbreitung von Rissen unter THM-Belastungen zu simulieren. Das geomechanischeWerkzeug wird eingesetzt, um verschiedene Stimulationsszenarien zu untersuchen, darunter monotone, schrittweise, zyklische sowie schrittweise-zyklisch kombinierte Stimulation. Zur Überwachung solcher Stimulationsprozesse schlägt diese Dissertation ein Doppelkabel-basiertes Distributed Acoustic Sensing (DAS)-System in einemvertikalen Bohrloch vor und untersucht dessen Eignung, um Rissbildungsereignisseim Nahbereich des Bohrlochs zu lokalisieren und zu verstehen.In der numerischen Methode werden mögliche Diskontinuitäten durch null-dicke dreiknotige Interface-Elemente dargestellt. Diese erlauben die Trennung von Festkörperelementen mitmechanischer Schädigung sowie die Simulation von longitudinalem und transversalem Wärme- und Flüssigkeitstransport durch die Diskontinuität. DasKubikgesetz wird zur Modellierung der Rissdurchlässigkeit verwendet, während ein elasto-schadensmechanisches Gesetz das mechanische Verhalten der Diskontinuität beschreibt. UmRissbildung in hochpermeablen intakten Gesteinen zu simulieren, werden Interface-Elemente zwischen alle Festkörperelemente eingefügt. Diese erhalten eine hohe Steifigkeit und einen hohen transversalen hydraulischen Leitwert, umkünstliche Nachgiebigkeit zu vermeiden. Eine künstlicheWärmeleitfähigkeit wird eingeführt, um die numerische Lösung zu stabilisieren, da hohe Péclet-Zahlen zu numerischer Divergenzführen können. Umfangreiche Verifikations- und Validierungsmaßnahmen zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickeltenMethode.Ein neues elastizitäts-schädigungsgesetz wurde entwickelt, indem eine Ermüdungsschädigungsvariable in den Zugzweig integriert wurde, umdie Ermüdungseffekte während der Simulation der zyklischen (thermischen) Stimulation geothermischer Reservoire zu berücksichtigen. Die Ermüdungsschädigungsvariable wird anhand der Anzahl von Belastungszyklen und der Ermüdungslebensdauer bei unterschiedlichen Belastungsintensitätenkalibriert, wobei die Palmgren-Miner-Regel angewendet wird, um zyklische Belastungen mit variierender Amplitude zu erfassen. Das vorgeschlageneModell wird anhand umfangreicher Laborversuche validiert, darunter der zyklische Brasilianische Test, der zyklische hydraulische Bruchtest und der zyklische thermo-hydraulische Bruchtest. Die Validierungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und belegen, dass das vorgeschlageneModell in der Lage ist, Ermüdungsschädigungen unter zyklischen und gekoppelten THM-Belastungen zu beschreiben.Das entwickelte Werkzeug wird anschließend eingesetzt, um die Stimulation eines synthetischen Sedimentreservoirs zu untersuchen, das – basierend auf regionalen Erfahrungen – als im nahen Bohrlochbereich verstopft angenommen wird. THM-Simulationen verschiedener Stimulationsstrategien – monoton, schrittweise, zyklisch sowie schrittweise in Kombination mit zyklisch – zeigen, dass die schrittweise Stimulation die günstigsten Ergebnisse liefert. Insbesondere ermöglicht sie einen deutlich niedrigeren Spitzeninjektionsdruck bei gleichzeitig stärkerer Schädigung im nahen Bohrlochbereich. Dieses Leistungsniveau kann mit ausschließlich monotonen oder zyklischen Strategien (bei gleichenWerten von Qinj und Tinj) nicht erreicht werden. ImGegensatz dazu schneidet die zyklische Injektionsratenstimulation etwas schlechter ab (bei hoher Injektionsrate) oder geringfügig besser (bei niedriger Injektionsrate) als die monotone Stimulation. Ein kombinierter Ansatz, der sowohl zyklische als auch schrittweise Strategien einbezieht, kann zu einer leicht verbesserten Stimulationsleistung führen – charakterisiert durch einen niedrigeren Spitzendruck im Vergleich zur entsprechenden monotonen Stimulation – bleibt jedoch der ausschließlich schrittweisen Stimulation unterlegen.Die Machbarkeit des Einsatzes eines Dual-Kabel-DAS-Systems in einem Einzelbohrloch zur vollständigen Lokalisierung und Analyse mikro-seismischer Ereignisse im Nahbereich wird anhand synthetischer Signale untersucht, unter der Annahme eines homogenen und isotropen Mediums. Eine Lokalisierungsmethode wird vorgestellt, um Quelltiefe, Epizentraldistanz und Azimut zu bestimmen. Sensitivitätsanalysen zeigen, dass die Lokalisierungsgenauigkeit unempfindlich gegenüber Quellfrequenzen im Bereich von 50 Hz bis 200 Hz ist. Eine geringe Signal-Rausch-Verhältnis und/oder ein Quell-Empfänger-Azimut nahe 0◦ können jedoch die Genauigkeit beeinträchtigen. Die Analyse der Auflösbarkeit legt nahe, dass nicht-doppelkoppelteMomententensor-Komponenten Mxx, Myy und Mzz bei Epizentraldistanzen unter 20Metern zuverlässig bestimmt werden können – eine Verbesserung gegenüber der Ein-Kabel-Lösung. Eine Diskussion auf Basis geomechanischer Simulationen zeigt, dass das Einzelbohrloch-Dual-Kabel-DAS-System zur Analyse von durch thermische Stimulation verursachten Zugrissen imNahbereich des Bohrlochs eingesetzt werden kann – jedochmit begrenzter Epizentraldistanz. Dies deutet darauf hin, dass es gut für die Überwachung von Stimulationsmaßnahmen geeignet ist.Diese Dissertation leistet einen Beitrag zur Energiewende, indemsie ein geomechanischesModell zur Simulation zyklischer und gekoppelter THM-Prozesse – einschließlich der Rissbildung imNahfeld des Bohrlochs – entwickelt, das die Planung neuartiger zyklischer thermischer Stimulationsstrategien ermöglicht. Darüber hinaus wird eineEinzelbohrloch-Dual-Kabel-DAS-Konfiguration vorgeschlagen, deren Eignung zur Lokalisierung und Analyse mikro-seismischer Ereignisse imNahbereich zur Überwachung von thermischen Stimulationsmaßnahmen nachgewiesen wird.

Near-borehole coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes are critical in defining the success or failure of geothermal projects. Injectivity decline due to clogging or the increased viscosity of cold water reduces the safe operational window of geothermal projects. However, near-borehole fracturing, a result of near-borehole coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes, is thought to possibly be able to contribute to maintaining or improving the re-injection performance. Understanding and being able to simulate the fracturing processes is therefore of great significance for both analysing re-injection and designing stimulation operations. This thesis presents a geomechanical tool, based on the finite element method and cohesive zone model, to simulate the fracture initiation and propagation under THM loadings. The geo-mechanical tool is used to study several stimulation scenarios, including monotonic, stepwise, cyclic, and stepwise combined with cyclic stimulation. To monitor such stimulation processes, this thesis proposes a dual-cable distributed acoustic sensing (DAS) system in a single vertical well and investigates its feasibility to localise and understand near-borehole cracking events.In the numerical method, possible discontinuities are represented by zero-thickness triple-nodded interface elements, which allow solid elements to separate with mechanical damage and the simulation of longitudinal and transversal fluid/heat flow in the discontinuity. The cubic law is used to simulate the fracture transmissivity changes, while an elasto-damage law is used to characterise the mechanical response of the discontinuity. To simulate the fracture initiation and propagation fromhigh-permeability intact rock, interface elements are inserted in-between all the solid elements, with high stiffness and transversal hydraulic coefficient assigned to reduce artificial compliance. An artificial heat conductivity is introduced to stabilise the numerical solution, in which high Pécletnumbers lead to numerical divergence. Substantial verifications and validation are implemented to demonstrate the performance of the developed method.A new elasto-damage law is developed by incorporating a fatigue damage variable into the tensile branch, in order to account for the fatigue effects during the simulation of cyclic (thermal) stimulation to geothermal reservoirs. The fatigue damage variable is calibrated using the number of loading cycles and fatigue life at different load intensities,with Palmgren-Miner’s rule used to account for varying-amplitude cyclic loading. The proposed model is validated against extensive laboratory tests, including cyclic Brazilian test, cyclic hydraulic fracturing test and cyclic thermo-hydraulic fracturing test. The validation results show good agreement with the experimental data, demonstrating that the proposed model is capable of handling fatigue damage under cyclic and coupledTHM loadings.The developed tool is then used to study stimulation to a synthetic sedimentary reservoir, which, according to regional experience, is assumed to be clogged in the nearborehole region. THMsimulations of various stimulation strategies - monotonic, stepwise, cyclic, and stepwise combined with cyclic - demonstrate that the stepwise stimulation yields the most favourable outcomes. Specifically, it enables a significantly lower peak injection pressure with more near-borehole damage. This performance is not achievable using either monotonic or cyclic strategies (assuming same Qinj and Tinj). Conversely, cyclic-injection-rate stimulation slightly underperforms (under high injection rate) or slightly outperforms (under low injection rate) the monotonic stimulation. A combinedapproach incorporating both cyclic and stepwise strategies may lead to slightly better stimulation performance, showing lower peak pressure, compared to corresponding monotnic stimulation, but is inferior to the stepwise stimulation alone.The feasibility of using a single-well dual-cable DAS to fully localise and understand the near-borehole micro-seismic events is investigated based on synthetic signals, assuming homogenous and isotropicmedia. A localisation method is introduced to determine the source depth, epicentral distance and azimuth. Sensitivity analysis shows that the localisation accuracy is not sensitive to source with frequency varying from 50 Hz to 200Hz. But a low signal-to-noise ratio and/or source-to-receiver azimuth close to 0◦ can lead to decreasing accuracy. Moreover, resolvability analysis suggest that non double-couple moment tensor componentsMxx,Myy andMzz can be reliably resolved with an epicentral distance within 20 meters, showing improvement on the case of only one cable in a well. A discussion based on the geo-mechanical simulation demonstrates that the single-well dual-cable DAS can be used to understand near-borehole tensile fractures induced during thermal stimulation, with a limited epicentral distance, which implies it is well suited to monitoring stimulation operations.This thesis contributes to the energy transition by developing a geo-mechanical model to simulate cyclic and coupled THM processes, including the development of fractures, around the near field of the wellbore which can allow the design of novel cyclic thermal stimulation and by proposing a single-well dual-cable DAS configuration that is demonstrated to be feasible to localise and understand near-boreholemicro-seismic events to monitor thermal stimulation operations.

OpenAccess:
PDF
(additional files)
External link:
Additional publication