[논문 리뷰] PorePy: An Open-Source Simulation Tool for Flow and Transport in Deformable Fractured Rocks

Eirik Keilegavlen, Alessio Fumagalli외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

Hydraulic Fracturing and Reservoir Analysis참고 문헌 26인용 수 36

한 줄 요약

PorePy는 3차원 균열 다공성 매체에 복잡한 균열 네트워크를 가진 유동, 이동 및 변형을 모델링하기 위한 오픈소스, 유한요소 기반 시뮬레이션 프레임워크이다. 이 프레임워크는 점, 선, 평면과 같은 다양한 차원의 물체 간에 과정을 결합하기 위해 하이브리드 차원 접근법을 사용하며, 균열이 있는 저류체에서 유동, 이동 및 다공성 탄성 변형의 정확하고 재현 가능한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 3차원 기하학을 가진 긴 얇은 균열을 처리하는 데 있어 표준 저류체 시뮬레이터의 한계를 해결한다.
• 실제 균열 네트워크를 가진 균열 다공성 매체에서의 흐름 및 이동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 다공성 탄성 및 균열 변형을 포함한 다물리적 모델링을 위한 투명하고 재현 가능한 프레임워크를 제공한다.
• 다각형 균열 기술서에서 이산 균열-매트릭스 모델의 반자동 메쉬 생성을 지원한다.
• 다른 차원의 영역(예: 2차원 균열과 1차원 교차점) 간의 과정 간 결합을 용이하게 한다.

제안 방법

• 균열을 3차원 영역에 임bedded된 2차원 다각형으로 표현하여 정확한 기하학적 기술을 가능하게 한다.
• 하이브리드 차원 접근법을 사용하여 흐름과 이동을 낮은 차원의 다양체(2차원 균열, 1차원 교차점, 0차원 점)에서 해결한다.
• 국소 질량 보존을 보장하는 유한요소 이산화를 사용하여 차원이 다른 영역에서 정확한 유량 근사치를 가능하게 한다.
• 메르트르 방법 또는 연속성 조건의 약한 도입을 통해 인접한 영역 간의 결합을 구현한다.
• 다공성 탄성, 암석 기계학 및 균열 변형 모델을 통합하여 흐름 및 이동 과정과 완전한 결합을 가능하게 한다.
• 복잡한 균열 네트워크의 자동 메쉬 생성을 제공하여 수동 프리프로세싱의 노력을 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 3차원 기하학을 가진 균열 네트워크를 시뮬레이션 프레임워크에서 효율적이고 정확하게 표현할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다른 차원의 영역(예: 2차원 균열과 1차원 교차점) 간에 유동, 이동 및 변형을 결합할 경우 시뮬레이션 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 오픈소스이자 투명한 프레임워크는 균열 저류체에서 다물리적 과정의 재현 가능하고 확장 가능한 시뮬레이션을 지원할 수 있는가?
• RQ4 하이브리드 차원 접근법은 전통적인 전차원 시뮬레이션에 비해 계산 비용과 정확도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 저압 주입 조건에서 실제 지열 저류체 자극 시나리오를 시뮬레이션할 수 있는 프레임워크의 능력은 어떠한가?

주요 결과

• PorePy는 복잡한 균열 기하학을 가진 균열 다공성 매체에서의 유동 및 이동을 성공적으로 시뮬레이션하여 정확한 유량 및 농도 분포를 보여주었다.
• 이 프레임워크는 지열 저류체에서 저압 자극을 시뮬레이션할 수 있었으며, 균열 네트워크 전반에 걸쳐 실제적인 유체 확산 및 압력 반응을 보여주었다.
• 반자동 메쉬 생성 기능은 프리프로세싱 시간을 크게 줄였고, 수동 메쉬 생성 없이도 복잡한 균열 네트워크를 지원하였다.
• 하이브리드 차원 수식은 2차원 균열과 1차원 교차점과 같은 서로 다른 차원의 영역 간에 안정적이고 정확한 과정 결합을 가능하게 하였다.
• 다공성 탄성 및 균열 변형 모델의 통합은 저류체 압축 및 응력에 의존하는 유동 거동의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• PorePy의 오픈소스 성격은 향후 연구 및 산업 응용을 위한 투명성, 재현 가능성 및 확장성을 보장한다.