[论文解读] 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 7

一句话总结

THERMAID 是一个开源的 MATLAB 软件包，采用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）模拟裂缝储层中的热-流体过程及裂缝稳定性。该工具可高效实现二维流体流动、热量传输及压裂过程中渗透率演化的模拟，其结果经与解析解和基准模型对比验证，为高性能计算扩展及地热能和 CO2 据存应用提供了基础。

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.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效且开源的模拟工具，用于模拟裂缝储层中耦合的热-流体过程。
• 解决在裂缝与基质间渗透率对比度高的裂缝介质中模拟流体流动与热量传输的挑战。
• 集成裂缝稳定性分析，以评估压裂过程中剪切激发及诱发地震风险。
• 为研究人员提供一个透明、可访问的平台，便于理解、修改和扩展数值实现。
• 通过与解析解和成熟数值方法的对比，实现基准测试，以确保模型的准确性与可信度。

提出的方法

• 采用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）表示裂缝，无需使用边界拟合的非结构化网格。
• 使用结构化、规则的笛卡尔网格，以简化数值离散化并支持并行计算。
• 将质量与能量守恒方程与简化的地质力学模型耦合，以模拟裂缝滑移过程中的渗透率演化。
• 在裂缝滑移时引入分段式渗透率增加，以捕捉压裂过程中注入能力的提升。
• 采用有限体积法进行空间离散化，显式时间推进法进行时间积分。
• 通过与解析解和既有的数值基准进行对比，验证模型的准确性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 嵌入式离散裂缝模型在二维裂缝储层中模拟耦合热-流体过程的精度如何？
• RQ2 考虑裂缝滑移引起的渗透率演化，对注入能力预测的现实性提升程度如何？
• RQ3 简化的裂缝稳定性模型能否有效估计剪切激发与诱发地震的潜在风险？
• RQ4 与传统的拟合离散裂缝模型相比，EDFM 方法在计算效率与准确性方面表现如何？
• RQ5 MATLAB 中 2D 实现的局限性是什么？如何将其扩展至高性能计算环境中的 3D 模拟？

主要发现

• THERMAID 软件包能够高精度复现裂缝介质中流动与热量传输的解析解。
• 嵌入式离散裂缝模型可在结构化网格上实现高效模拟，无需复杂的非结构化网格生成。
• 裂缝滑移过程中分段式渗透率增加能够准确捕捉压裂过程中观察到的注入能力上升，验证了模型的物理解释一致性。
• 模型表明，通过渗透率演化实现的力学反馈对裂缝储层中真实热-流体模拟至关重要。
• 尽管目前仅限于 2D，该方法可轻松扩展至 3D，并可重新实现于高性能计算框架中，以支持大规模模拟。
• THERMAID 的开源特性基于 GNU GPL v3.0 许可证，支持社区驱动的开发与多样化地下应用的定制化。