[論文レビュー] THERMAID - A matlab package for thermo-hydraulic modeling and fracture stability analysis in fractured reservoirs

Gunnar Jansen, Benoît Valley+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis被引用数 7

ひとこと要約

THERMAID は、埋め込み離散的破壊モデル（EDFM）を用いて、破壊的蓄熱層内の熱流体的プロセスおよび破壊安定性をシミュレートするオープンソースの MATLAB パッケージです。2次元での流体の流れ、熱輸送、透水率の変化を効率的にシミュレートでき、解析的解およびベンチマークモデルと照合された結果を示しており、高性能コンピューティングの拡張および地熱エネルギーと CO2 捻出し応用の基盤を提供します。

ABSTRACT

Understanding the dynamics of naturally fractured systems and fractured reservoirs in terms of flow, heat transport and fracture stability (e.g. induced seismicity) is important for a range of applications associated with waste water injection, renewable energy (e.g. geothermal systems), and greenhouse gas mitigation (e.g. geological sequestration of CO2). Here we present the implementation and validation of an open source MATLAB package for efficient numerical simulations of the coupled processes in fractured systems. We take advantage of the embedded discrete fracture model that efficiently accounts for discrete fractures. We perform a series of numerical benchmark experiments to validate the implemented approach against analytical solutions and established numerical methods. Finally, we use a simplified geomechanical model and an integrated fracture stability analysis that allows estimating the potential for shear stimulation, and thus a mechanistic assessment of induced seismic risk during stimulation. The open source distribution of the source code and results can be used as a blue print for the re-implementation of the method in a high performance computing (HPC) framework or as a standalone simulation package for investigating TH(m) problems in geothermal reservoirs.

研究の動機と目的

• 破壊的蓄熱層におけるカップリングされた熱流体的プロセスを、計算的に効率的かつオープンソースのシミュレーションツールとして開発すること。
• 破壊部とマトリックス間の透水率の著しい対比を示す破壊的媒体における流体の流れと熱輸送をモデル化する課題に対処すること。
• 破壊のスリップに伴う透水率の変化を統合し、蓄熱層の刺激処理中のせん断刺激および誘発地震リスクを評価する破壊安定性解析を実施すること。
• 研究者が数値実装を理解・変更・拡張できるように、透明性がありアクセス可能なプラットフォームを提供すること。
• 正確性と信頼性を保証するため、解析的解および確立された数値手法とのベンチマークを可能にすること。

提案手法

• 体積適合非構造格子を必要としない、埋め込み離散的破壊モデル（EDFM）の実装により、破壊を表現する。
• 数値離散化を簡素化し、並列処理を支援するため、構造的で規則的な直交座標格子の使用。
• 質量保存則とエネルギー保存則を、破壊スリップに伴う透水率の変化を模擬する簡略化された地盤工学的モデルと結合。
• 水力刺激処理中の注入能向上を捉えるために、破壊スリップに伴う段階的透水率上昇を組み込む。
• 空間的離散化に有限体積法を、時間的積分に明示的時間ステッピングを適用。
• 正確性と信頼性を保証するため、解析的解および確立された数値ベンチマークとの照合を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込み離散的破壊モデルは、2次元の破壊的蓄熱層におけるカップリングされた熱流体的プロセスをどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 破壊スリップに起因する透水率の変化を組み込むことで、注入能予測の現実性はどの程度向上するか？
• RQ3 簡略化された破壊安定性モデルは、せん断刺激および誘発地震の可能性を効果的に推定できるか？
• RQ4 伝統的な適合型離散的破壊モデルと比較して、EDFM アプローチは計算効率および正確性の点でどの程度優れているか？
• RQ5 大規模シミュレーションに向けたハイパフォーマンスコンピューティング環境への拡張を考慮した場合、MATLAB における2次元実装の限界は何か、3次元への拡張はどのように可能か？

主な発見

• THERMAID パッケージは、破壊的媒体における流れと熱輸送について、解析的解を非常に高い精度で再現した。
• 埋め込み離散的破壊モデルにより、複雑な非構造格子生成を必要とせず、構造的格子上で効率的なシミュレーションが可能となった。
• 破壊スリップに伴う段階的透水率上昇は、水力刺激処理中の観測された注入能の上昇を的確に捉えており、モデルの物理的整合性を裏付けた。
• 機械的フィードバックとしての透水率の変化が、破壊的蓄熱層における現実的な熱流体的シミュレーションに不可欠であることが示された。
• 現在は2次元に限定されているが、3次元への拡張は容易であり、大規模シミュレーションのためのハイパフォーマンスコンピューティングフレームワークへの再実装も可能である。
• THERMAID は GNU GPL v3.0 ライセンスのもとでオープンソースであるため、コミュニティ主導の開発および多様な地下応用分野への適応が可能である。