Resource assessment and performance predictions in unconventional geothermal reservoirs

Deb, Paromita; Clauser, Christoph; Saar, Martin

doi:41060

Resource assessment and performance predictions in unconventional geothermal reservoirs = Ressourcenbewertung und Leistungsprognosen in unkonventionelle geothermische Reservoirs

Deb, Paromita^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Paromita Deb, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clauser, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Saar, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-00925
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/839898/files/839898.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EGS (frei) ; enhanced (frei) ; geothermal (frei) ; hydraulic fracturing (frei) ; laboratory-experiments (frei) ; magma intrusions (frei) ; numerical modeling (frei) ; stochastic simulation (frei) ; superhot (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Geothermische Energie, die aus der natürlichen Wärme der Erde gewonnen wird, hat das Potenzial, zum globalen Energiebedarf mit minimalem ökologischen Fußabdruck nachhaltig beizutragen. Mit den Möglichkeiten, Energie aus verschiedenen Arten von geothermischen Reservoiren zu nutzen, die von konventionellen hydrothermalen Ressourcen bis hin zu unkonventionellen (EGS und superheißen) geothermischen Systemen reichen, verspricht die Geothermie stabile, nachhaltige und geographisch weit verbreitete Produktionsmöglichkeiten. Trotz dieser Vorteile und des enormen Energiegewinnungspotenzials leiden geothermische Projekte unter den hohen initialen Investitionskosten während der Explorationsphase. Die Unsicherheiten bezüglich des Untergrundes erhöhen die finanziellen Risiken von geothermischen Explorationsprojekten erheblich und beeinflussen folglich die Investitionsentscheidungen. Einige der wichtigsten geologischen Faktoren, die die Ressourcenbewertung insbesondere in unkonventionellen geothermischen Feldern beeinflussen, hängen mit der begrenzten Kenntnis des zugrundeliegenden magmatischen Systems, unsicheren Gesteinsparametern und gekoppelten Untergrundprozessen zusammen. Jeder dieser Faktoren wird in dieser Arbeit auf verschiedenen Skalen untersucht. Für die Bewertung von Ressourcen auf regionaler Ebene ist die Kenntnis der zugrundeliegenden Wärmequelle essentiell, um das Wärmebudget des Feldes korrekt zu bewerten. In dieser Studie schlage ich eine Methodik zur Rekonstruktion des thermischen Regimes in aktiven Vulkanfeldern vor, die durch mehrere vulkanische Episoden und magmatische Intrusionen gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rekonstruktion der kompletten zeitlichen Entwicklung, unter Einbeziehung von magmatischen Quellinformationen aus geochemischen und petrologischen Studien, die im geothermischen Feld beobachteten thermischen Anomalien genau erfassen kann. Auf der Ebene des Reservoirs bewerte ich die Auswirkungen von unbekannten Gesteinsparametern auf die Reservoirentwicklung und -planung. Mithilfe stochastischer Modellierung quantifiziere und reduziere ich die Unsicherheit bei der Temperaturabschätzung und verbessere so die Vorhersage des geothermischen Potenzials des Feldes erheblich. Schließlich untersuche ich auf der Laborskala die gekoppelten nichtlinearen Prozesse, die durch Stimulation in geothermischen Reservoiren induziert werden. Durch die Durchführung von hydraulischen Stimulationsexperimenten in Granitproben evaluiere ich die sensitivsten Faktoren, die die Post-Stimulationsprozesse in Gesteinen mit geringer Permeabilität beeinflussen. Die gut kontrollierbaren Experimente auf der Laborskala führten zu einem Benchmark-Datensatz, der für eine vergleichende Leistungsbewertung von zwei modernen numerischen Simulatoren verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass eine zuverlässige Vorhersage des Druckverhaltens und des stimulierten Volumens durch eine genaue Modellierung des Injektionssystems, des Flüssigkeitsaustritts und der Gesteins-Sättigungsbedingungen möglich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Beiträge unterstützen Geowissenschaftler, Ingenieure und Investoren, die an verschiedenen Arten der geologischen Erkundung beteiligt sind. Die Arbeitsabläufe werden anhand von Fallbeispielen aus der unkonventionellen Geothermie vorgestellt. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Untersuchungen finden jedoch allgemeine Anwendung in der geologischen Exploration, einschließlich konventioneller Geothermie und Kohlenwasserstoffen. Der Arbeitsablauf der thermischen Untersuchung in aktiven magmatischen Systemen ist nicht nur für die Bewertung des Wärmebudgets wichtig, sondern hat auch Auswirkungen auf die Analyse der thermischen Reife von organischem Material, ein wichtiger Faktor bei der Analyse von Kohlenwasserstoff-Reservoiren. Der Arbeitsablauf der stochastischen Lagerstättenmodellierung liefert eine deutlich höhere Genauigkeit für die vorhergesagte Temperatur und unterstützt daher Entscheidungsträger bei der Durchführung einer verbesserten Risikobewertung, bevor große wirtschaftliche Investitionen getätigt werden. Schließlich ist die Untersuchung von hydraulischen Brüchen im Labormaßstab und der damit verbundene experimentelle Datensatz von großem Wert für Benchmarking und Vergleichsstudien von Simulationscodes. Solche Code-Vergleichsstudien sind sowohl für die Industrie als auch für die akademischen Bereiche von wesentlicher Bedeutung für die Entwicklung fortschrittlicher Stimulationstechniken für geothermische Systeme und geologische Speicher. Abschließend werden alle in dieser Arbeit vorgestellten Arbeitsabläufe mit dem übergeordneten Ziel vorgeschlagen, die Unsicherheit bei der Ressourcen- und Produktivitätsbewertung von geothermischen Feldern zu reduzieren.

Geothermal energy, extracted from the earth’s natural heat, has the potential to sustainably meet the global energy demand with minimal environmental footprint. With possibilities to exploit energy from different types of geothermal reservoirs ranging from conventional hydrothermal resources to unconventional enhanced and super-hot geothermal systems, geothermal energy promises stable, sustainable, and geographically widespread production possibilities. Despite these advantages and the tremendous energy generating potential, geothermal projects suffer due to high initial costs during the exploration stage. Uncertainties associated with deep and unexplored geology significantly increase the financial risks of geothermal exploration projects, consequently influencing investment decisions. Some of the main geological factors that influence resource assessment particularly in unconventional geothermal fields are related to the limited knowledge of the underlying magmatic system, uncertain rock parameters, and coupled subsurface processes. Each of these factors is investigated in this work at different scales. For regional-scale resource assessment, the knowledge of the underlying heat source is essential to correctly evaluate the heat budget of the field. In this study, I propose a methodology for reconstructing the thermal regime in active volcanic fields characterized by multiple volcanic episodes and magmatic intrusions. Results show that reconstructing the complete temporal evolution, integrating magmatic source information from geochemical and petrological studies, can accurately capture the thermal anomalies observed in the geothermal field. At reservoir scale, I evaluate the impact of uncertain rock parameters for reservoir development and planning. Using stochastic modeling, I quantify and reduce uncertainty on temperature estimation, significantly improving the forecast of geothermal potential of the field. Finally, at laboratory-scale, I investigate the coupled nonlinear processes induced by stimulation in geothermal reservoirs. By performing hydraulic fracturing experiments in granite samples, I evaluate the most sensitive factors that influence the post-stimulation processes in low permeability rocks. The well-controlled laboratory-scale experiments resulted in a benchmark dataset, which was utilized for comparative performance assessment of two state-of-the-art numerical simulators. Results indicate that reliable prediction of pressure response and stimulated volume is possible through accurate modeling of injection system, fluid leak-off, and rock saturation conditions.The contributions presented in this thesis support geoscientists, engineers and investors involved in different types of geological exploration. The workflows are presented using examples of unconventional geothermal case studies. However, all the methodologies and investigations presented in this thesis find general application in geological exploration, including conventional geothermal and hydrocarbon resources. The thermal investigation workflow in active magmatic systems is not only valuable for heat budget evaluation, but also has implications for thermal maturity analysis of organic matter, an important factor in hydrocarbon prospect analysis. The stochastic reservoir modeling workflow provides significantly higher confidence on the predicted temperature and therefore, supports decision makers to perform better risk assessment before large economic investments are made. Lastly, the laboratory-scale investigation of hydraulic fractures and the associated experimental dataset is invaluable for code benchmarking and code comparison studies. Such code verification studies are essential for both industry and academic sectors involved in developing advanced stimulation techniques for enhanced geothermal systems as well as for underground geological storages. In conclusion, all the workflows presented in this thesis are proposed with an overall objective of reducing uncertainty in resource and productivity assessment of geothermal fields.

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