[논문 리뷰] THERMAID - A matlab package for thermo-hydraulic modeling and fracture stability analysis in fractured reservoirs

Gunnar Jansen, Benoît Valley외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis인용 수 7

한 줄 요약

THERMAID는 삽입형 이산 균열 모델(EDFM)을 사용하여 균열성 저류지에서 열유체 과정과 균열 안정성을 시뮬레이션하기 위한 오픈소스 MATLAB 패키지이다. 이는 유압 자극 중 유체 흐름, 열 수송 및 투수성 변화를 효율적으로 2차원으로 시뮬레이션할 수 있으며, 해석적 해와 기준 모델에 대한 검증 결과를 통해 정확성을 입증하였다. 이는 고성능 계산 확장 및 지열 에너지 및 CO2 저장 분야의 적용을 위한 기반을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 균열성 저류지에서 연계된 열유체 과정을 위한 계산 효율적이고 오픈소스의 시뮬레이션 도구를 개발하기 위해.
• 균열과 매트릭스 간의 높은 투수성 대비를 가진 균열성 매체에서의 유체 흐름과 열 수송을 모델링하는 데 도전하는 데에.
• 유압 자극 중 시추성 및 유도 지진 위험을 평가하기 위해 균열 안정성 분석을 통합하기 위해.
• 연구자들이 수치 구현을 이해하고 수정하며 확장할 수 있도록 투명하고 접근 가능한 플랫폼을 제공하기 위해.
• 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 해석적 해와 기존 수치 방법에 대한 기준 시험을 수행하기 위해.

제안 방법

• 복잡한 비정규 메esh 생성이 필요 없이, 균열을 표현하기 위해 삽입형 이산 균열 모델(EDFM)을 구현하기 위해.
• 수치 이산화를 단순화하고 병렬 처리를 지원하기 위해, 규칙적인 정규 직각좌표 격자를 사용하기 위해.
• 질량 및 에너지 보존 방정식을 단순화된 지구역학 모델과 결합하여 균열 이동 동안의 투수성 변화를 시뮬레이션하기 위해.
• 유압 자극 중에 관찰되는 주입성 향상을 반영하기 위해, 균열 이동 시 단계적 투수성 증가를 통합하기 위해.
• 공간 이산화에 유한체적 방법을, 시간 적분에 명시적 시간 스텝을 적용하기 위해.
• 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 해석적 해와 기존 수치 기준 시험에 대한 검증을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삽입형 이산 균열 모델은 2차원 균열성 저류지에서 연계된 열유체 과정을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 균열 이동에 의한 투수성 변화를 포함함으로써 주입성 예측의 현실성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 단순화된 균열 안정성 모델은 시추성 및 유도 지진의 가능성을 효과적으로 추정할 수 있는가?
• RQ4 전통적인 일치하는 이산 균열 모델에 비해 EDFM 접근법은 계산 효율성과 정확성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대규모 시뮬레이션에 대해 MATLAB에서의 2차원 구현의 한계는 무엇이며, 이를 고성능 계산 환경에서 3차원으로 어떻게 확장할 수 있는가?

주요 결과

• THERMAID 패키지는 높은 정확도로 균열성 매체에서의 흐름과 열 수송에 대한 해석적 해를 성공적으로 재현하였다.
• 삽입형 이산 균열 모델은 복잡한 비정규 메쉬 생성 없이도 규칙적인 격자에서 효율적인 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 균열 이동 중 단계적 투수성 증가는 유압 자극 중 관측된 주입성 상승을 잘 반영하여 모델의 물리적 일관성을 검증하였다.
• 모델은 기계적 피드백을 통해 투수성 변화가 균열성 저류지에서 현실적인 열유체 시뮬레이션을 위해 필수적임을 보여주었다.
• 현재 2차원에 국한되어 있지만, 이 접근법은 쉽게 3차원으로 확장 가능하며, 대규모 시뮬레이션을 위한 고성능 계산 프레임워크로 재구현이 가능하다.
• THERMAID의 오픈소스 성격과 GNU GPL v3.0 라이선스는 공동 개발 및 다양한 지하 응용 분야에 대한 적응을 가능하게 하였다.