[論文レビュー] Three-Dimensional Numerical Modeling of Shear Stimulation of Naturally Fractured Rock Formations

Eren Ucar, Inga Berre+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、流体の流れ、亀列の変形、および岩盤の弾性を連成した3次元数値モデルを提案し、自然に亀列を持つ地熱貯留層におけるせん断刺激をシミュレートする。モデルは、亀列と岩盤間の流体交換が透水度の進化と地震活動に顕著な影響を与えることを示しており、誘発地震を最小限に抑える一方で刺激を最適化する上での示唆を提供する。

ABSTRACT

Shear dilation based hydraulic stimulations enable exploitation of geothermal energy from reservoirs with inadequate initial permeability. While contributing to enhancing the reservoir's permeability, hydraulic stimulation processes may lead to undesired seismic activity. Here, we present a three dimensional numerical model aiming to increase understanding of this mechanism and its consequences. The fractured reservoir is modeled as a network of explicitly represented large scale fractures immersed in a permeable rock matrix. The numerical formulation is constructed by coupling three physical processes: fluid flow, fracture deformation, and rock matrix deformation. For flow simulations, the discrete fracture matrix model is used, which allows the fluid transport from high permeable conductive fractures to the rock matrix and vice versa. The mechanical behavior of the fractures is modeled using a hyperbolic model with reversible and irreversible deformations. Linear elasticity is assumed for the mechanical deformation and stress alteration of the rock matrix. Fractures are modeled as lower dimensional surfaces embodied in the domain, subjected to specific governing equations for their deformation along the tangential and normal directions. Both the fluid flow and momentum balance equations are approximated by finite volume discretizations. The new numerical model is demonstrated considering a three dimensional fractured formation with a network of 20 explicitly represented fractures. The effects of fluid exchange between fractures and rock matrix on the permeability evolution and the generated seismicity are examined for test cases resembling realistic reservoir conditions.

研究の動機と目的

• 自然に亀列を持つ貯留層における流体の流れ、亀列の変形、および岩盤の力学を連成的に捉える3次元数値モデルの構築を目的とする。
• 高透水性亀列と周囲の岩盤との間の流体交換が、水力的刺激の過程における透水度の進化に与える影響を調査することを目的とする。
• 低透水性の亀列を持つ地層におけるせん断刺激プロセスによって生じる地震活動を評価することを目的とする。
• 透水度を向上させながら誘発地震リスクを最小限に抑えるための刺激戦略の最適化に関する知見を提供することを目的とする。

提案手法

• 亀列を持つ貯留層は、透水性の高い岩盤に埋め込まれた明示的に表現された3次元亀列のネットワークとしてモデル化される。
• 流体の流れは、亀列と岩盤間の輸送を可能にする離散的亀列-岩盤モデルを用いてシミュレートされる。
• 亀列の変形は、可逆的および不可逆的なせん断および垂直変位を考慮する双曲線則を用いてモデル化される。
• 岩盤の変形は線形弾性に従い、領域全体で一貫した応力変化が計算される。
• 運動量および流体の流れの式は、正確な数値解を得るための有限体積法を用いて離散化される。
• モデルは、現実的な貯留層条件下で20個の明示的にモデル化された亀列を有する3次元領域に適用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亀列と岩盤間の流体交換は、せん断刺激の過程における透水度の進化にどのように影響するか？
• RQ2 可逆的および不可逆的変形メカニズムが、透水度の向上を制御する上で果たす役割は何か？
• RQ3 岩盤内の応力の変化は、刺激の過程における地震発生の可能性および分布にどのように影響するか？
• RQ4 亀列ネットワークの幾何学的形状および接続性は、流体の流れと誘発地震にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 亀列と岩盤間の流体交換は、刺激の過程における透水度の空間的・時間的進化に顕著な影響を与える。
• 亀列の不可逆的せん断変形は、可逆的弾性変形よりも、永久的な透水度の向上により顕著に寄与する。
• 流体注入に起因する岩盤内の応力変化は、特に亀列の交差部および高応力勾配領域で地震発生を引き起こす可能性がある。
• モデルは、流体交換の向上が均一な透水度の増加を促進し、局所的な応力集中を低減することを予測している。
• シミュレーション結果は、亀列ネットワークの接続性が誘発地震の大きさおよび分布に強く影響することを示している。
• 流体の流れ、亀列力学、および岩盤の弾性の連成は、刺激の結果を正確に予測する上で不可欠である。