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Geomechanical reservoir modeling – workflow and case study from the North German Basin

Fischer, Karsten (2013)
Geomechanical reservoir modeling – workflow and case study from the North German Basin.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Geomechanical reservoir modeling – workflow and case study from the North German Basin
Language: English
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Stein, PD Dr. Eckardt
Date: 11 September 2013
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 18 October 2013

There is an increasing importance for the optimal exploitation of conventional hydrocarbon reservoirs to have detailed knowledge of the specific state of stress in a reservoir and to gain clarity on the corresponding geomechanical implications. This knowledge is even becoming mandatory for most unconventional plays. The local stress field directly affects, for instance, wellbore stability, the orientation of hydraulically induced fractures, and – especially in fractured reservoirs – permeability anisotropies. Robust information on the locally prevailing stresses is thus ideally required prior to drilling. Numerical models based on the finite element (FE) method are able to cope with the complexity of real reservoirs. Acting as predictive tools, these models not only provide quantitative information on the stress distribution, but also a process-based understanding of geomechanical reservoir behavior. This study evaluates the potential of geomechanical FE models for the prediction of local in situ stress distribution and fracture networks in faulted reservoirs. The work of this study was conducted in cooperation with three major operators in the E&P industry and comprises two main parts. In the first methodological part, a generally applicable workflow is developed for building geomechanical FE models and calibrating them to field data. These models focus on spatial variations of in situ stress resulting from faults and contrasts in mechanical rock properties. Special techniques are elaborated regarding the transfer of the reservoir geometry from geological subsurface models to the numerical model and for the most effective application of boundary conditions. Complex fault geometries and the detailed topology of lithostratigraphic horizons can be considered on reservoir scale. In combination with reservoir-specific material parameters the incorporated horizons establish a mechanical stratigraphy inside the model. Faults are implemented as discrete planes by 2D interface elements. This allows fault-specific stresses and corresponding fault behavior to be analyzed. The resulting geomechanical models comprise high spatial resolution and several million elements. They are calculated in time spans of less than 20 hours by using high-performance computing. In addition, submodels resolving a detailed mechanical stratigraphy can be integrated into the reservoir-wide modeling for local focus. In the second part of the study, the workflow was successfully applied to an intensively faulted gas reservoir in the North German Basin. Comprehensive datasets are provided by the field operators and project partners for building and calibrating a detailed and truly field-scale geomechanical model covering more than 400km². It incorporates a network of 86 faults and a mechanical stratigraphy of three layers comprising reservoir-specific material parameters. For the static modeling approach, the present-day regional stress field is applied as boundary condition. Static modeling results are compared to local stress measurements, e.g. orientations from borehole breakouts and magnitudes from frac data. After iterative calibration, the best-fit model reveals the recent in situ stress distribution and individual fault behavior throughout the reservoir. The results show significant local perturbations of stress magnitudes (max. ±10MPa over 1-2km distance) and only minor deviations in stress orientation from the regional trend (max. ±25°). The strong dependency on the specific fault trace, offset and interactions precludes the derivation of generally valid rules for estimating stress variations and underlines the necessity of numerical modeling. Analysis of fault-specific results indicates that critical stress states occur most likely on NW-SE trending faults in the present-day stress field. Fracture information is inferred from a (geo-)dynamic model focusing on the major stages in the tectonic history of the reservoir and the respective past in situ stresses. Consequently, paleo-stress fields are applied as boundary condition and material parameters are adjusted. Correlation of fracture orientations and modeled paleo-stresses in the reservoir allows the formation of fracture sets to be assigned to Triassic and Late Jurassic to Early Cretaceous times. Increased perturbation intensity in the Late Jurassic to Early Cretaceous is related to potential reactivation of NW-SE trending faults and explains the variability of the corresponding fracture set. These results elucidate how stress perturbations can explain fracture variability without the need for complex tectonic histories. Furthermore, the dynamic model sheds light on fault zone permeability. Modeling indicates that if cataclasis is responsible for a reduced fault permeability, then it will most likely occur along E-W and NNE-SSW trending faults due to the high slip tendency values they experienced in the tectonic past. Modeling results show no such increased geomechanical exposure for NW-SE oriented faults. However, high dilation tendencies support the possibility of activity of these faults in Late Jurassic times – as proposed by fracture correlation. Low permeability of NW-SE trending faults is thus most likely the result of fluid entry and illitization, which is also observed at a wellbore close to such a fault set. The combination of static and dynamic modeling results suggests no significant impact of critically stressed natural fractures on the recent hydraulic behavior of the entire reservoir. Additionally tests of fault block refinements and submodels demonstrate their capability to provide further increased spatial resolution in areas of particular interest. The submodel generated for the northwestern part of the case study underlines the impact of the specific connections of the fault network on the modeling results. The outcome of this study confirms the high potential of geomechanical FE models to reveal the specific in situ stress and fault behavior, and to infer fracture characteristics from paleo-stresses. Beside the case study specific insights, the successfully applied and approved workflow can be used for future modeling of stress-sensitive reservoirs. Furthermore, the geomechanical models are not limited in application to the hydrocarbon industry. As general tools for stress prediction in undrilled rock formations, they can also be applied to deep geothermal reservoirs and underground engineering, for instance. The possibility of characterizing fault behavior makes the models additionally valuable in the fields of carbon capture and storage (CCS) and nuclear waste disposal.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Für die optimale Nutzung konventioneller Kohlenwasserstofflagerstätten gewinnt es zunehmend an Bedeutung, genaue Kenntnis über die tektonischen Spannungen in einer Lagerstätte zu besitzen, sowie Klarheit über die mit den Spannungen verbundenen geomechanischen Auswirkungen zu bekommen. Für die meisten unkonventionellen Lagerstätten ist dies sogar zwingend erforderlich. Das lokale Spannungsfeld beinflusst beispielsweise unmittelbar die Stabilität von Bohrungen, die Orientierung hydraulisch induzierter Klüfte, und Permeabilitätsanisotropien – insbesondere in geklüfteten Lagerstätten. Verlässliche Informationen über die lokal vorherrschenden Spannungen werden daher idealerweise vor Abteufen einer Bohrung benötigt. Numerische Modelle, die auf der Finiten Elemente (FE) Methode basieren, sind in der Lage die Komplexität realer Lagerstätten abzubilden. Als Vorhersagewerkzeug liefern diese Modelle nicht nur quantitative Informationen über die Spannungsverteilung, sondern auch ein prozess-basiertes Verständnis über das geomechanische Verhalten der Lagerstätte. Diese Arbeit untersucht das Potenzial geomechanischer FE Modelle zur Vorhersage der lokalen in situ Spannungsverteilung und Kluftnetzwerke in störungsdurchzogenen Lagerstätten. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit drei großen Betreibern der E&P Industrie durchgeführt und sind gegliedert in zwei Teile. Im ersten methodischen Teil wurde ein allgemein anwendbarer Arbeitsablauf für den Aufbau geomechanischer FE Modelle und deren Kalibration mit Lagerstättendaten entwickelt. Diese Modelle konzentrieren sich auf räumliche Veränderungen der in situ Spannungen durch Störungen und Unterschiede in den mechanischen Gesteinseigenschaften. Es wurden Verfahren für den Übertrag der Lagerstättengeometrie von geologischen Untergrundmodellen in das numerische Modell erarbeitet, sowie Methoden für die möglichst effektive Aufbringung der Randbedingungen. Komplexe Störungsgeometrien und die detaillierte Topologie lithostratigraphischer Horizonte können auf Lagerstättenmaßstab berücksichtigt werden. In Verbindung mit lagerstättenspezifischen Materialparametern bilden die einbezogenen Horizonte eine mechanische Stratigraphie innerhalb des Modells. Mit Hilfe zweidimensionaler Grenzflächenelemente werden Störungen als diskrete Flächen abgebildet. Dies ermöglicht die Analyse störungsspezifischer Spannungen und des damit verbundenen Verhaltens der Störungen. Die resultierenden geomechanischen Modelle besitzen eine hohe räumliche Auflösung und enthalten mehrere Millionen Elemente. Mit Hilfe von Hochleistungsrechnern und entsprechender Parallelisierung können diese Modelle in weniger als 20 Stunden berechnet werden. Darüber hinaus können so genannte Teilmodelle mit einer detailliert aufgelösten mechanischen Stratigraphie in die großräumige Modellierung integriert werden und diese lokal verbessern. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Arbeitsablauf erfolgreich auf eine störungskontrollierte Gaslagerstätte im Norddeutschen Becken angewendet. Die Betreiber stellten als Projektpartner umfangreiche Datensätze zur Verfügung für den Aufbau und die Kalibration eines detaillierten geomechanischen Modells im Lagerstättenmaßstab. Dieses Modell umfasst die gesamte Lagerstätte mit einer Fläche von mehr als 400km². Es beinhaltet ein Störungsnetzwerk aus 86 Störungen, sowie eine mechanische Stratigraphie aus drei Lagen mit lagerstättenspezifischen Materialparametern. In einem statischen Modellierungsansatz dient das heutige überregionale Spannungsfeld als Randbedingung. Die Ergebnisse der statischen Modellierung wurden verglichen mit lokalen Spannungsmessungen, z.B. mit Orientierungen aus Bohrlochrandausbrüchen und Magnituden aus Frac-Daten. Nach iterativer Kalibration offenbart das Modell mit der besten Übereinstimmung die heutige in situ Spannungsverteilung und das individuelle Störungsverhalten in der gesamten Lagerstätte. Die Ergebnisse zeigen deutliche lokale Veränderungen der Spannungsmagnituden (max. ±10MPa auf 1-2km) und nur geringe Abweichungen vom regionalen Trend in den Orientierungen (max. ±25°). Die Ableitung allgemein gültiger Regeln zur Abschätzung von Spannungsperturbationen wird verhindert durch deren starke Abhängigkeit vom genauen Störungsverlauf, der Versätze und Wechselwirkungen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit numerischer Modellierung. Die Analyse der Störungsergebnisse zeigt, dass kritische Spannungen heutzutage am wahrscheinlichsten entlang NW-SE orientierter Störungen auftreten. Kluftinformationen wurden aus einem (geo-)dynamischen Modell abgeleitet, welches die Hauptphasen der tektonischen Vergangenheit der Lagerstätte berücksichtigt und damit die vergangenen in situ Spannungen. Als Randbedinungen wurden daher Paläo-Spannungsfelder eingesetzt und Materialparameter entsprechend angepasst. Kluftorientierungen wurden mit modellierten Paläo-Spannungen in der Lagerstätte korreliert. Dies erlaubt die Zuordnung der Kluftbildungsphasen in die Zeit der Trias und des Oberjura bis Unterkreide. Erhöhte Intensität der Spannungsperturbationen im Oberjura und der Unterkreide wird mit einer potenziellen Reaktivierung von NW-SE orientierten Störungen in Verbindung gebracht und erklärt die Variabilität des entsprechenden Kluftsystems. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie Spannungsperturbationen Kluftvariabilität erklären können ohne komplizierte tektonische Entwicklungen. Das dynamische Modell gibt außerdem Aufschluss über die Permeabilität von Störungszonen. Die Modellierungen deuten darauf hin, dass wenn Kataklase für niedrige Störungspermeabilitäten verantwortlich ist, dies am wahrscheinlichsten entlang E-W und NNE-SSW verlaufender Störungen der Fall ist aufgrund der hohen „Slip Tendency“ –Werte in deren tektonischer Vergangenheit. Die Modellierungsergebnisse zeigen keine solch hohe Beanspruchung für NW-SE orientierte Störungen. Allerdings unterstützen hohe „Dilation Tendency“ –Werte die Annahme aus der Kluftkorrelation, dass diese Störungen im Oberjura aktiv waren. Die niedrige Permeabilität NW-SE orientierter Störungen ist daher am wahrscheinlichsten auf Fluideintritt und Illitisierung zurückzuführen. Letzteres wurde in einer Bohrung nahe solcher Störungen auch beobachtet. Die Kombination der statischen und dynamischen Modellierungsergebnisse deutet auf keinen signifikanten Einfluss natürlicher, kritisch gespannter Klüfte hin auf das heutige hydraulische Verhalten der Lagerstätte. Die zusätzlich getesteten Ansätze für Störungsblockverfeinerungen und Teilmodelle zeigen deren Potenzial für weiter erhöhte räumliche Auflösung in bestimmten Bereichen. Das erstellte Teilmodell des nordwestlichen Bereichs des Fallbeispiels verdeutlicht den Einfluss der genauen Verbindungen des Störungsnetzwerks auf die Modellierungsergebnisse. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen das hohe Potenzial geomechanischer FE Modelle zur Offenlegung der spezifischen in situ Spannungen und des Störungsverhaltens, sowie zur Möglichkeit Kluftcharakteristika aus Paläo-Spannungen abzuleiten. Neben den gewonnenen Erkenntnissen über die Lagerstätte des Fallbeispiels kann der erfolgreich angewendete Arbeitsablauf zur zukünftigen Modellierung spannungssensitiver Lagerstätten benutzt werden. Die geomechanischen Modelle sind in ihrer Anwendung jedoch nicht auf die Kohlenwasserstoffindustrie beschränkt. Als allgemeine Werkzeuge zur Vorhersage von Spannungen in nicht erbohrten Gesteinsformationen können sie beispielsweise auch in der Tiefengeothermie und Tiefbautechnik angewendet werden. Die Möglichkeit zur Charakterisierung des Störungsverhaltens macht die Modelle zudem wertvoll für die Gebiete der CO2 Speicherung im Untergrund (CCS) und der Entwicklung atomarer Endlagerstätten.

URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36476
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Engineering Geology
Date Deposited: 21 Nov 2013 14:38
Last Modified: 24 Jul 2020 11:09
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3647
PPN: 386308047
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