학술논문
Process understanding of induced seismicity during stimulation of enhanced geothermal systems
Document Type
Dissertation/Thesis
Author
Source
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
Subject
Language
English
Abstract
(Català) Aquesta tesi doctoral investiga les causes que indueixen la (micro)sismicitat com a resultat de l'estimulació hidràulica en roques fracturades de baixa permeabilitat. Comprendre aquest fenomen és de vital importància per a preveure la sismicitat induïda en aplicacions geoenergéticas, com els sistemes geotèrmics millorats (EGS per les seves sigles en anglès). La recerca està impulsada per consideracions tant acadèmiques com ingenieriles, abordant els intricats processos hidromecánicos (HM) acoblats que entren en joc i amb l'objectiu d'avançar en la comprensió dels mecanismes subjacents a la cosismicidad durant la fase d'estimulació hidràulica dels EGS. La tesi comença amb una revisió exhaustiva de les metodologies de modelització existents dels processos acoblats en roques fracturades. Aquesta exploració posa en relleu els importants avanços que aquestes metodologies han aportat a la comprensió fonamental de les fractures, millorant en última instància les capacitats de predicció relacionades amb els processos acoblats dins dels sistemes fracturats. A continuació, la recerca se centra en els règims de flux induïts per la injecció d'aigua a cabal constant en una fractura envoltada per una matriu de baixa permeabilitat. L'estudi llança llum sobre les implicacions per a la interpretació d'assajos hidràulics i simulacions numèriques. Els resultats revelen que, fins i tot en una matriu de roca confinante de molt baixa permeabilitat, les fugides no són menyspreables a causa de la petita obertura de la fractura, que maximitza els gradients de pressió a través de la interfície fractura-matriu. La transició entre règims de flux, que sovint es passa per alt en els assajos de camp, té importants implicacions per a estimar amb precisió la transmissivitat de la fractura en les proves d'injecció en mitjans fracturats i en els plantejaments de modelització. A continuació, la tesi proposa un enfocament innovador per a la representació implícita de fractures envoltades per una matriu rocosa de baixa permeabilitat. Aquest enfocament assimila les fractures com a mitjans continus equivalents, demostrant que una capa de mig continu equivalent relativament gruixuda pot representar amb precisió una fractura i reproduir el comportament HM. El mètode proposat es valguda mitjançant la modelització d'una estimulació hidràulica duta a terme en el Laboratori Subterrani de Bedretto, mostrant la seva capacitat per a millorar la simplicitat i eficàcia dels mètodes continus en la representació de fractures en mitjans fracturats. Finalment, la recerca aprofundeix en la modelització d'una prova altament monitorada en el Laboratori Subterrani de Bedretto per a investigar l'impacte de la injecció de fluids en l'augment de la permeabilitat i la microsismicitat induïda. S'examinen tres models, i el de fractura viscoplástica amb dilatancia i afebliment per deformació resulta ser el més complet per a captar la resposta acoblada espaciotemporal de la roca fracturada a l'estimulació hidràulica. Aquest model resulta eficaç per a estimar l'extensió de la fractura estimulada, la millora de la permeabilitat i el seu impacte en l'estat local de tensió i pressió de porus en les fractures circumdants, presentant una valuosa eina per al disseny d'una estimulació hidràulica eficaç. En resum, aquesta tesi doctoral contribueix a la comprensió de la microsismicitat induïda per les operacions EGS, oferint una visió dels processos acoblats, els règims de flux i els enfocaments de modelatge innovadors, avançant en última instància en el camp de la recerca de l'energia geotèrmica i el disseny de l'estimulació hidràulica.
(Español) Esta tesis doctoral investiga las causas que inducen la (micro)sismicidad como resultado de la estimulación hidráulica en rocas fracturadas de baja permeabilidad. Comprender este fenómeno es de vital importancia para prever la sismicidad inducida en aplicaciones geoenergéticas, como los sistemas geotérmicos mejorados (EGS por sus siglas en inglés). La investigación está impulsada por consideraciones tanto académicas como ingenieriles, abordando los intrincados procesos hidromecánicos (HM) acoplados que entran en juego y con el objetivo de avanzar en la comprensión de los mecanismos subyacentes a la cosismicidad durante la fase de estimulación hidráulica de los EGS. La tesis comienza con una revisión exhaustiva de las metodologías de modelización existentes de los procesos acoplados en rocas fracturadas. Esta exploración pone de relieve los importantes avances que estas metodologías han aportado a la comprensión fundamental de las fracturas, mejorando en última instancia las capacidades de predicción relacionadas con los procesos acoplados dentro de los sistemas fracturados. A continuación, la investigación se centra en los regímenes de flujo inducidos por la inyección de agua a caudal constante en una fractura rodeada por una matriz de baja permeabilidad. El estudio arroja luz sobre las implicaciones para la interpretación de ensayos hidráulicos y simulaciones numéricas. Los resultados revelan que, incluso en una matriz de roca confinante de muy baja permeabilidad, las fugas no son despreciables debido a la pequeña abertura de la fractura, que maximiza los gradientes de presión a través de la interfaz fractura-matriz. La transición entre regímenes de flujo, que a menudo se pasa por alto en los ensayos de campo, tiene importantes implicaciones para estimar con precisión la transmisividad de la fractura en las pruebas de inyección en medios fracturados y en los planteamientos de modelización. A continuación, la tesis propone un enfoque innovador para la representación implícita de fracturas rodeadas por una matriz rocosa de baja permeabilidad. Este enfoque asimila las fracturas como medios continuos equivalentes, demostrando que una capa de medio continuo equivalente relativamente gruesa puede representar con precisión una fractura y reproducir el comportamiento HM. El método propuesto se valida mediante la modelización de una estimulación hidráulica llevada a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto, mostrando su capacidad para mejorar la simplicidad y eficacia de los métodos continuos en la representación de fracturas en medios fracturados. Por último, la investigación profundiza en la modelización de una prueba altamente monitorizada en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto para investigar el impacto de la inyección de fluidos en el aumento de la permeabilidad y la microsismicidad inducida. Se examinan tres modelos, y el de fractura viscoplástica con dilatancia y debilitamiento por deformación resulta ser el más completo para captar la respuesta acoplada espaciotemporal de la roca fracturada a la estimulación hidráulica. Este modelo resulta eficaz para estimar la extensión de la fractura estimulada, la mejora de la permeabilidad y su impacto en el estado local de tensión y presión de poros en las fracturas circundantes, presentando una valiosa herramienta para el diseño de una estimulación hidráulica eficaz. En resumen, esta tesis doctoral contribuye a la comprensión de la microsismicidad inducida por las operaciones EGS, ofreciendo una visión de los procesos acoplados, los regímenes de flujo y los enfoques de modelado innovadores, avanzando en última instancia en el campo de la investigación de la energía geotérmica y el diseño de la estimulación hidráulica.
DOCTORAT EN ENGINYERIA CIVIL (Pla 2012)
(Español) Esta tesis doctoral investiga las causas que inducen la (micro)sismicidad como resultado de la estimulación hidráulica en rocas fracturadas de baja permeabilidad. Comprender este fenómeno es de vital importancia para prever la sismicidad inducida en aplicaciones geoenergéticas, como los sistemas geotérmicos mejorados (EGS por sus siglas en inglés). La investigación está impulsada por consideraciones tanto académicas como ingenieriles, abordando los intrincados procesos hidromecánicos (HM) acoplados que entran en juego y con el objetivo de avanzar en la comprensión de los mecanismos subyacentes a la cosismicidad durante la fase de estimulación hidráulica de los EGS. La tesis comienza con una revisión exhaustiva de las metodologías de modelización existentes de los procesos acoplados en rocas fracturadas. Esta exploración pone de relieve los importantes avances que estas metodologías han aportado a la comprensión fundamental de las fracturas, mejorando en última instancia las capacidades de predicción relacionadas con los procesos acoplados dentro de los sistemas fracturados. A continuación, la investigación se centra en los regímenes de flujo inducidos por la inyección de agua a caudal constante en una fractura rodeada por una matriz de baja permeabilidad. El estudio arroja luz sobre las implicaciones para la interpretación de ensayos hidráulicos y simulaciones numéricas. Los resultados revelan que, incluso en una matriz de roca confinante de muy baja permeabilidad, las fugas no son despreciables debido a la pequeña abertura de la fractura, que maximiza los gradientes de presión a través de la interfaz fractura-matriz. La transición entre regímenes de flujo, que a menudo se pasa por alto en los ensayos de campo, tiene importantes implicaciones para estimar con precisión la transmisividad de la fractura en las pruebas de inyección en medios fracturados y en los planteamientos de modelización. A continuación, la tesis propone un enfoque innovador para la representación implícita de fracturas rodeadas por una matriz rocosa de baja permeabilidad. Este enfoque asimila las fracturas como medios continuos equivalentes, demostrando que una capa de medio continuo equivalente relativamente gruesa puede representar con precisión una fractura y reproducir el comportamiento HM. El método propuesto se valida mediante la modelización de una estimulación hidráulica llevada a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto, mostrando su capacidad para mejorar la simplicidad y eficacia de los métodos continuos en la representación de fracturas en medios fracturados. Por último, la investigación profundiza en la modelización de una prueba altamente monitorizada en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto para investigar el impacto de la inyección de fluidos en el aumento de la permeabilidad y la microsismicidad inducida. Se examinan tres modelos, y el de fractura viscoplástica con dilatancia y debilitamiento por deformación resulta ser el más completo para captar la respuesta acoplada espaciotemporal de la roca fracturada a la estimulación hidráulica. Este modelo resulta eficaz para estimar la extensión de la fractura estimulada, la mejora de la permeabilidad y su impacto en el estado local de tensión y presión de poros en las fracturas circundantes, presentando una valiosa herramienta para el diseño de una estimulación hidráulica eficaz. En resumen, esta tesis doctoral contribuye a la comprensión de la microsismicidad inducida por las operaciones EGS, ofreciendo una visión de los procesos acoplados, los regímenes de flujo y los enfoques de modelado innovadores, avanzando en última instancia en el campo de la investigación de la energía geotérmica y el diseño de la estimulación hidráulica.
DOCTORAT EN ENGINYERIA CIVIL (Pla 2012)