[論文レビュー] PorePy: An Open-Source Simulation Tool for Flow and Transport in Deformable Fractured Rocks

Eirik Keilegavlen, Alessio Fumagalli+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2017

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis参考文献 26被引用数 36

ひとこと要約

PorePy は、複雑な fracture ネットワークを有する 3D の破壊的多孔質媒体における流れ、輸送、変形をモデル化するためのオープンソースで有限要素法ベースのシミュレーションフレームワークである。PorePy は、点、線、平面といった異なる次元のオブジェクトを統合するハイブリッド次元アプローチを採用しており、破壊的炭素貯留層における流れ、輸送、ポーラエラスティック変形の正確で再現可能なシミュレーションを可能にしている。

ABSTRACT

Fractures are ubiquitous in the subsurface and strongly affect flow and deformation. The physical shape of the fractures, they are long and thin objects, puts strong limitations on how the effect of this dynamics can be incorporated into standard reservoir simulation tools. This paper reports the development of an open-source software framework, termed PorePy, which is aimed at simulation of flow and transport in three-dimensional fractured reservoirs, as well as deformation of the reservoir due to shearing along fracture and fault planes. Starting from a description of fractures as polygons embedded in a 3D domain, PorePy provides semi-automatic gridding to construct a discrete-fracture-matrix model, which forms the basis for subsequent simulations. PorePy allows for flow and transport in all lower-dimensional objects, including planes (2D) representing fractures, and lines (1D) and points (0D), representing fracture intersections. Interaction between processes in neighboring domains of different dimension is implemented as a sequence of couplings of objects one dimension apart. This readily allows for handling of complex fracture geometries compared to capabilities of existing software. In addition to flow and transport, PorePy provides models for rock mechanics, poro-elasticity and coupling with fracture deformation models. The software is fully open, and can serve as a framework for transparency and reproducibility of simulations. We describe the design principles of PorePy from a user perspective, with focus on possibilities within gridding, covered physical processes and available discretizations. The power of the framework is illustrated with two sets of simulations; involving respectively coupled flow and transport in a fractured porous medium, and low-pressure stimulation of a geothermal reservoir.

研究の動機と目的

• 長く細い破壊的構造を有する複雑な 3D の幾何形状を扱う際の、標準的なリザーバー・シミュレーターの限界を克服すること。
• 現実的な破壊的ネットワークを有する破壊的多孔質媒体における流れと輸送の正確なシミュレーションを可能にすること。
• ポアロ弾性および破壊の変形を含むマルチフィジックスモデリングのための透明性と再現可能性を確保するフレームワークを提供すること。
• 多角形で記述された破壊的マトリックスモデルからの準自動メッシュ生成をサポートすること。
• 異なる次元の領域（例：2D の破壊的構造と 1D の交差）間でのプロセスの結合を容易にすること。

提案手法

• 破壊的構造を 3D 領域に埋め込まれた 2D 多角形として表現することで、正確な幾何的記述を可能にする。
• 流れと輸送を低次元多様体（2D の破壊的構造、1D の交差、0D の点）で解くハイブリッド次元アプローチを採用する。
• 局所的質量保存を満たす有限要素離散化を用いることで、次元が不均一な領域における正確なフラックス近似を実現する。
• モルタル法または連続性条件の弱い適用を用いて、隣接する領域間の結合を実装する。
• ポアロ弾性、岩石力学、破壊の変形のモデルを統合し、流れと輸送プロセスと完全に結合可能な仕組みを実装する。
• 複雑な破壊的ネットワークのための自動メッシュ生成を提供することで、手動での前処理作業を大幅に削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な 3D の破壊的ネットワークで、幾何形状のばらつきを効率的かつ正確にシミュレーションフレームワークに表現する方法は何か？
• RQ2 異なる次元の領域（例：2D の破壊的構造と 1D の交差）間で流れ、輸送、変形を結合した場合、シミュレーションの正確性に与える影響は何か？
• RQ3 オープンソースで透明性のあるフレームワークは、破壊的リザーバーにおけるマルチフィジックスプロセスの再現可能で拡張可能なシミュレーションを可能にするか？
• RQ4 計算コストと正確性の観点から、ハイブリッド次元アプローチは、従来のフル次元シミュレーションと比べてどのように異なるか？
• RQ5 低圧力注入を伴う現実的な地熱リザーバーの刺激シナリオを、このフレームワークがどの程度シミュレートできるか？

主な発見

• PorePy は、複雑な破壊的幾何形状を有する破壊的多孔質媒体における流れと輸送の連成シミュレーションを成功裏に実行し、正確なフラックスおよび濃度分布を示した。
• このフレームワークは、地熱リザーバーにおける低圧力刺激をシミュレート可能であり、破壊的ネットワーク全体にわたる現実的な流体の拡散と圧力応答を再現した。
• 準自動メッシュ生成機能により、前処理時間の大幅な短縮が達成され、手動メッシュ生成を伴わずとも複雑な破壊的ネットワークを扱えるようになった。
• ハイブリッド次元形式により、2D の破壊的構造と 1D の交差といった異なる次元の領域間でのプロセスの安定的かつ正確な結合が可能となった。
• ポアロ弾性および破壊の変形モデルの統合により、リザーバーの圧縮と応力依存性の流れ行動を現実的にシミュレートできるようになった。
• PorePy のオープンソース性により、将来的な研究および産業応用のための透明性、再現可能性、拡張性が保証された。