TU Darmstadt / ULB / TUprints

Fault Representation in Reservoir-Scale Hydro-Mechanical Finite Element Models

Treffeisen, Torben (2021):
Fault Representation in Reservoir-Scale Hydro-Mechanical Finite Element Models. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017419,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
20201230_Treffeisen_Dissertation.pdf
Available under CC BY 4.0 International - Creative Commons, Attribution.

Download (9MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Fault Representation in Reservoir-Scale Hydro-Mechanical Finite Element Models
Language: English
Abstract:

Hydro-mechanical reservoir models are used to obtain quantitative insights into the spatial distribution of stress, strain and pore pressure. Recent studies have shown that different approaches to incorporate faults into such reservoir simulations have a profound impact on the modeling results. Since faults are a key feature in the subsurface affecting both the hydraulic and mechanical behavior of a reservoir, their proper implementation in the numerical model is crucial. Fault representation has to accurately model the effect faults have on (1) fluid flow and (2) the local stress field. However, a fault is not just a discrete geological feature but rather a fault zone with a complex geometry and various rock units with distinct material properties. This small-scale heterogeneity can hardly be represented in reservoir scale finite element models considering the typical grid size used in these simulations. Thus, fault representation in reservoir-scale hydro-mechanical simulations has to be based on simplifications and upscaling techniques.

To improve decision making and help in choosing the right fault representation, knowledge about the different effects each simplification and each approach used to incorporate faults has on the modeling results is necessary. This thesis focuses on different approaches of fault representation with a single upscaled set of material properties in reservoir-scale hydro-mechanical finite element models. The main objectives are

(1) Implementing the fault geometry with respect to the finite element grid properly

(2) Addressing the scale differences between the internal heterogeneity of the fault zone (centimeters to meters) and the typical size of the calculation cells of the numerical grid (meters to tens of meters) accurately

(3) Assigning fault material properties to the numerical models, which stem – if available at all – from rock mechanical testing on core samples with a diameter of a few centimeters and therefore require upscaling and merging techniques

In order to meet these challenges three research articles were published, each based on simple generic fault zone models. The approaches analyzed to represent faults in reservoir-scale hydro-mechanical include a regular rectangular grid, a grid geometry adapted to the fault geometry as well as fault representation by contact elements. Fault representation as volumetric weak zones is investigated for different grid geometries, fault dip angles as well as different mesh resolutions inside the fault zone. In addition, the impact of different elastic and frictional fault zone properties is assessed.

Differences and similarities in the calculated stress and strain patterns as well as the pore pressure field obtained from different fault implementation strategies are discussed and general recommendations concerning the implementation of faults in hydro-mechanical reservoir models are given. Fault representation as either volumetric weak zones or contact elements leads to significant differences in the stress and strain patterns in the vicinity of the fault zone (< 50 m). While fault dip is not of critical importance for fluid flow, it has a significant impact on the stress perturbation induced by the fault. Another important finding is that the mesh resolution has to be considered very carefully as – particularly in combination with a rectangular grid – interlocking effects and serious errors can occur. If, however, the focus of a modeling study is not in the vicinity of the fault zone, a rectangular grid with the appropriate mesh resolution allows for faster and easier model generation in comparison to a curvilinear grid adapted to the fault geometry. Regarding material parameters, Young's modulus and cohesion assigned to the fault zone have the most significant impact on the modeling results, while the internal friction angle and Poisson's ratio play a subordinate role.

Overall, this thesis provides recommendations and guidelines to improve fault representation in reservoir simulations. The goal is to gain more realistic simulations and thus, more reliable modeling results to improve forecasts, lower costs and reduce risks during subsurface operations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Hydromechanische Reservoir-Modelle werden erstellt um quantitative Einblicke in die räumliche Verteilung von Spannungen, Verformungen und Porendruck zu erhalten. Aktuelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die verschiedene Ansätze Störungen in solche Reservoir-Simulationen zu integrieren eine nicht zu unterschätzende Auswirkung auf die Modellierungsergebnisse haben. Störungszonen stellen ein wichtiges Merkmal des Untergrunds dar. Diese beeinflussen sowohl das hydraulische als auch das mechanische Verhalten eines Reservoirs. Deshalb ist es von immenser Bedeutung, Störungen möglichst akkurat in derartigen numerische Modelle zu implementieren. Die Darstellung von Störungszonen sollte präzise die Effekte abbilden, die Störungszonen in Bezug auf (1) Fluid-Fluss und (2) das lokale Spannungsfeld haben. Eine Störung ist allerdings nicht nur ein einzelnes geologisches Merkmal, sondern vielmehr eine Störungszone mit internen, komplexer Geometrie und verschiedenen Gesteinseinheiten mit ihrerseits unterschiedlichen Materialeigenschaften. Aufgrund der typischen Netzgröße Reservoir-maßstäblicher Finite Element Modelle kann diese kleinmaßstäbliche Heterogenität nur schwer in diesen Modellen repräsentiert werden. Daher basiert die Darstellung von Störungszonen notwendigerweise auf Vereinfachung und Aufskalierungsmethoden.

Um die Entscheidungsfindung zu vereinfachen und zur Unterstützung in der Auswahl der besten Repräsentation, sind Kenntnisse hinsichtlich der verschiedenen Auswirkungen jeder Vereinfachung und jedes zum Einbau von Störungen verwendeten Ansatzes auf die Modellierungsergebnisse nötig. Diese Thesis konzentriert sich folglich auf die verschiedenen Ansätze der Darstellung von Störungszonen mit einem einzigen aufskalierten Set von Materialeigenschaften in Reservoir-maßstäbliche hydromechanischen Finite Elemente Modellen. Hauptziele sind hierbei:

(1) Korrekte Implementierung der Störungsgeometrie innerhalb des Finite Elemente Netz

(2) Akkurates Adressieren der Skalenunterschiede zwischen der internen Heterogenität der Störungszone (Zentimeter bis Meter) und der üblichen Größe der Berechnungszellen des numerischen Netzes (Meter bis Zehnermeter)

(3) Zuweisen der Materialeigenschaften des Störungsgesteins in das numerische Model, welche – wenn überhaupt verfügbar – von gesteinsmechanischen Tests von Kernproben mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern stammen und deshalb Upscaling und Merging Techniken benötigen

Um diese Herausforderungen anzugehen wurden drei wissenschaftliche Paper veröffentlicht, basierend auf simplen generischen Störungszonen-Modellen. Die untersuchten Ansätze im Hinblick auf die Darstellung von Störungszonen in Reservoir-maßstäbliche hydromechanischen Modellen beinhalten ein rechtwinkliges Netz, eine Netzgeometrie, die sich an die Störungsgeometrie anpasst sowie die Störungsrepresentation durch Kontaktelemente. Die Darstellung von Störungszonen als volumetrische Schwächezonen wird weiterhin untersucht bezüglich verschiedener Netzgeometrie, Einfallswinkel der Störung sowie verschiedenen Netz-Auflösungen innerhalb der Störungszone. Weiterhin wird der Einfluss von verschiedenen elastischen und Reibungs-Eigenschaften der Störungszonen bewertet.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den berechneten Spannungs- und Verformungsmustern als auch dem Porendruck-Bereich, die durch verschiedene Störungszonen-Integrations-Strategien erzielt wurden, werden diskutiert und grundsätzliche Empfehlungen hinsichtlich der Implemetierung von Störungszonen in hydromechanischen Reservoir Modellen gegeben. Die Darstellung von Störungszonen als volumetrische Schwächezone oder Kontaktelemente führt zu signifikanten Unterschieden in den Spannungs- und Verformungsmustern im Nahfeld der Störung (< 50 m).

Während der Einfallswinkel der Störung grundsätzlich nicht von großer Bedeutung für den Fluid-Fluss ist, hat er einen erheblichen Einfluss auf die Spannungs-Perturbation, die von der Störungszone ausgelöst wird. Eine weitere wichtige Entdeckung ist die, dass die Netz-Auflösung sehr sorgfältig ausgewählt werden muss - insbesondere in Kombination mit rechtwinkliger Vernetzung – da andernfalls blockierende Effekte und ernste Fehler zu befürchten sind.

Falls jedoch der Fokus der Studie nicht in der direkten Umgebung der Störungszone liegt, erlaubt ein rechtwinkliges Netz mit angemessener Netz-Auflösung schnellere und einfachere Modell-Generierung im direkten Vergleich zu einem gekrümmten Netz, dass angepasst an die Störungszonengeometrie ist. Bezüglich der Material Parameter hat das der Störungszone zugewiesene Elastizitätsmodul und die Kohäsion den größten Einfluss auf die Resultate, während der interne Reibungswinkel und die Poissonzahl nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Insgesamt bietet dieses Thesis Empfehlungen und Richtlinien um die Darstellung von Störungszonen in Reservoir Simulationen zu verbessern. Das Ziel ist es hierbei, realistischere Simulationen zu erzeugen und daraus folgend verlässlichere Modellierungsergebnisse zu liefern, die wiederum Vorhersagen verbessern, Kosten verringern und Risiken während Arbeiten im Untergrund reduzieren.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIX, 104 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Engineering Geology
Date Deposited: 28 Jan 2021 07:13
Last Modified: 28 Jan 2021 07:13
DOI: 10.26083/tuprints-00017419
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174196
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Backers, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 17 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17419
Export:
Actions (login required)
View Item View Item