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Numerical modelling of production-induced stress changes and seismicity in fault-compartmentalized reservoirs of the North German Basin

Haug, Constantin (2019):
Numerical modelling of production-induced stress changes and seismicity in fault-compartmentalized reservoirs of the North German Basin.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical modelling of production-induced stress changes and seismicity in fault-compartmentalized reservoirs of the North German Basin
Language: English

Natural gas production from some Rotliegend reservoirs in the Netherlands and North Germany has triggered seismic events after the affected sites had undergone a significant decrease in pore pressure. Recent seismic events in North Germany have caused negligible structural damage but major public concern in a region of low historic seismicity. In a first order approach, the pore pressure depletion of deep reservoirs is accompanied by stress changes that superimpose on pre-production and far-field stresses and potentially question the strength of pre-existing fault planes. Basic analytic models can explain how first, the production-induced differential increase of effective vertical and horizontal stress components within the reservoir, and second the compensation of reservoir contraction by compatibility stresses in the reservoir surroundings, can lead to the reactivation of pre-existing faults during depletion. These analytic approaches fail however to account for the mechanical stratigraphy and structural complexities occurring in reality. In this study, general characteristics of Rotliegend gas fields were depicted in 2D Finite element models in order to improve the quantitative understanding of production-induced seismicity and identify geological parameters that may favour the occurrence of seismicity in North Germany. The tendency towards normal faulting was investigated for a parameter space of reservoir depth, reservoir thickness, mechanical and hydraulic properties and compartment geometries. Distinct features of the local geology such as a varying thickness of viscoelastic salt in the overburden and offset reservoir compartments were addressed by three basic model settings whereby a graben setting served as a reference scenario. The consolidation procedure of the FE- multiphysics tool ABAQUS was used to solve the fully coupled poroelastic equations, requiring the establishment of a modelling strategy first. Herein the Biot-coefficient, that commonly assumes values inferior to one in solid rocks, constituted a crucial model parameter. In the numerical procedure, the evaluation of failure and output of Terzaghi effective stress ignored the Biot-coefficient at first glance. It is however shown that the coefficient scales with total stresses and governs the magnitudes of both effective stress concepts, the Biot-Willis effective stress, reflecting the direct poroelastic stress-strain relation, and Terzaghi effective stress determining the yield of porous rock formations under large confining pressures. A second crucial feature, the deterministic model fault was depicted by contact surfaces that capture the discontinuous character of real faults and allow for relative displacements. In the poroelastic modelling, sealing faults invoke continuity constraints that, along with an inconvenient definition of failure stress, lead to the introduction of the fault-loading parameter SSR, used for the comparative evaluation of fault-loading in different model variations. Identified critical fault-loading patterns were in a second modelling campaign allowed to dissipate by means of dynamic slip, whereby the implementation of slip-rate weakening friction and the consideration of dynamic stresses in ABAQUS explicit captured essential characteristics of dynamic rupture. Several factors that may favour production-induced seismicity in North Germany were identified in the modelling. First, individual parameters such as large reservoir thickness, large Biot-coefficients of the reservoir, shallow reservoir position, a large stiffness contrast between caprock and reservoir and in particular the effect of viscoelastic evaporites in the overburden, exerting a non-homogeneous load and inhibiting stress redistribution, are factors favouring the reactivation of the graben-bounding fault. Second, intra-field compartmentalizing faults are found a more likely location for seismic events than the graben boundary. Particularly production scenarios that deplete either both of two offset compartments, or the footwall compartment, exert a strong loading on the fault. Furthermore, partly-juxtaposed reservoir compartments constitute a preferential geometric setting for fault reactivation. A favoured reactivation of steeply dipping faults (> 60°) in all models reflects a dominant contribution of compaction-strains to fault-loading and contrasts with tectonic concepts. The fault reactivation potential on the graben boundary is found to be highest at the upper reservoir level and a narrow interval above it. For the intra-field setting, rupture initiates at the lower level of the fault section bounding the footwall compartment. Rupture generally propagates either downwards or simultaneously up– and downwards. Thereby, the interplay of the overall stress state and the initial acceleration can favour or inhibit slip propagation but the isotropic stress state within the salt and the tendency for reverse faulting below the reservoir pose ultimate geologic barriers to the propagation of rupture. The final rupture pattern depends predominantly on the geological setting and its local stress state, whereas the effect of the simulated depletion scenarios is hardly distinguishable. Bulk formation strain is shown to be ambiguously expressed by two different effective stress concepts, moreover, the modelling results reveal a strong sensitivity on the representation of the fault. These findings of the study highlight specific challenges of the modelling of reservoir geomechanical problems. Reviewing the model results, a single dominant parameter for seismic hazard cannot be derived as fault criticality is predominantly governed by a complex interplay of initial stresses, pore pressure and fault strength. The investigated parameters revealed the potential to enhance or mitigate critical tendencies in an interfering manner. In consequence, more detailed prediction models require more detailed structural and field data. Nevertheless, the FE models enhance the understanding of processes and influential parameters for induced seismicity and are able to investigate scenarios and define limiting cases in the planning and operation of fields. The presented two-step approach, encompassing the prioritized identification of critically stressed faults and the separate simulation of rupture can be extended to case investigations addressing for example problems of caprock integrity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Förderung von Erdgas aus diversen Rotliegend-Gaslagerstätten in den Niederlanden und Norddeutschland hat Erdbeben ausgelöst, die mit einer signifikanten Porendruckabsenkung im Untergrund korrelieren. Für die betroffene Region in Norddeutschland wird die Erdbebengefährdung als vernachlässigbar eingeschätzt. Entsprechend haben die induzierten Erdbeben, ungeachtet ihrer sehr geringfügigen Oberflächenauswirkungen, große Besorgnis in der Bevölkerung hervorgerufen. Ein vereinfachter Erklärungsansatz für die induzierten Erdbeben sieht Porendruck-induzierte Spannungsänderungen vor, die mit dem vorherrschenden tektonischen Spannungszustand interferieren und dabei die Integrität von vorhandenen Störungen infrage stellen. Analytische Ansätze beschreiben erstens, wie die Porendruckabnahme zu einer differentiellen Zunahme der effektiven vertikalen und horizontalen Spannungskomponenten innerhalb des Reservoirs führen und zweitens, wie die kompressiven Verformungstendenzen des Reservoirs Kompensationsspannungen in umliegenden Gesteinsformationen hervorrufen. Die analytischen Modelle können die Reaktivierung von Störungen durch Porendruckabsenkungen grundsätzlich erklären, realistische mechanische Stratigraphien und die strukturelle Komplexität der Lagerstätten aber nur unzureichend abbilden. Die vorliegende Arbeit abstrahiert grundlegende geologischen Gegebenheiten der norddeutschen Rotliegend-Gasfelder in zweidimensionale Finite Elemente (FE) Modelle. Mithilfe der numerischen Modellierung soll das quantitative Verständnis der induzierten Erdbeben verbessert und der Einfluss verschiedener Parameter, die das Auftreten von induzierten Erdbeben in Norddeutschland potenziell begünstigen, evaluiert werden. Ein Parameterraum, der die Tiefe und Mächtigkeit des Reservoirs, die mechanischen und hydraulischen Modelleigenschaften sowie die Geometrie der Reservoirhorizonte entlang kompartmentbildender Verwerfungen variiert, wurde im Hinblick auf das jeweilige Reaktivierungspotenzial der Störung als Abschiebung analysiert. Charakteristische geologische Merkmale wie die lateral variierende Mächtigkeit von Evaporiten und kompartmentbildende Verwerfungen innerhalb der Gasfelder wurden in drei unterschiedlichen Modell-settings untersucht und der Grabenrand als Referenzszenario herangezogen. Die bodenmechanische Konsolidationsanalyse des FE-Programms ABAQUS wurde für die Lösung der voll gekoppelten poroelastischen Gleichungen verwendet und dafür zunächst ein Modellierungsansatz konzipiert. Hierbei ist der Biot-Koeffizient zentraler Inputparameter und nimmt für Festgesteine normalerweise Werte kleiner eins an. In der numerischen Prozedur war er in der Berechnung von Versagensspannungen und der Ausgabe von Terzaghi-Spannungen zunächst scheinbar nicht berücksichtigt. Es wird aber gezeigt, dass der Biot-Koeffizient den totalen Spannungszustand determiniert und damit die Magnituden beider abgeleiteter Effektivspannungskonzepte bestimmt. Biot-Willis Effektivspannungen beschreiben das Spannungs-Verformungs-Verhalten des poroelastischen Materials in direkter Weise, Terzaghi Effektivspannungen determinieren die Festigkeits- bzw. Fließgrenze von porösen Gesteinen unter hohem Umgebungsdruck. Eine weitere zentrale Bedeutung kommt der deterministischen Darstellung von Störungen als Kontaktflächen im numerischen Modell zu. Kontaktflächen bilden den diskontinuierlichen Charakter von realen Störungen ab und erlauben kleinräumige Relativverschiebungen innerhalb des FE-Netzes. In der poroelastischen Modellierung führt die Repräsentation einer abdichtenden Störung durch Kontakt zusätzliche Kontinuitätsbedingungen ein, die zusammen mit der kontroversen numerischen Versagensspannung die Einsetzung der Störungsbelastungsgröße SSR erforderten. Der Parameter SSR quantifiziert die Belastung der Störung im Sinne des Mohr-Coulomb Kriteriums und erlaubt eine vergleichende Bewertung verschiedener Parametervariationen. Ein zweiter Simulationslauf in ABAQUS explicit analysiert die Dissipation der vorhergehend identifizierten, kritischen Belastungsfälle in Form von dynamischem Versatz auf der Modellstörung. Das implementierte Reibungsgesetz verschreibt der Störung einen abnehmenden Reibungswiderstand mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit und bildet in Kombination mit den dynamischen Spannungen Grundzüge der dynamischen Bruchausbreitung bei der seismischen Reaktivierung von Störungen ab. In der Modellierung wurden verschieden Faktoren identifiziert, die das Auftreten von produktions-induzierten Erdbeben begünstigen. Einzelne Parameter, wie eine geringe Tiefenlage des Reservoirs, eine große Reservoir-Mächtigkeit, große Biot-Koeffizienten sowie ein großer Steifigkeitskontrast zwischen Deckgestein und Reservoir begünstigen die Reaktivierung von Randstörungen des Reservoirhorizontes. Viskoelastische Evaporite im Hangenden spielen eine besondere Rolle für die Kritikalität der Störung, da sie eine lateral inhomogene Auflast auf das Reservoir ausüben und die räumliche Dissipation der produktions-induzierten Spannungen einschränken. Im Vergleich zum Grabenrand wurden Verwerfungen, die die Lagerstätte in interne Kompartimente unterteilen, als wahrscheinlichere Lokation für Erdbeben identifiziert. Hier erfahren Störungen, vor allem durch Produktionsszenarien, die den Porendruck entweder in beiden gegeneinander versetzten Kompartimenten oder nur im Liegenden Kompartiment absenken, eine besondere Belastung. Dabei kontrolliert der Versatz der Kompartimente entlang der Störung eine, durch die Geometrie bedingte, differenzielle Kompaktion der Kompartimente. Die bevorzugte Reaktivierung von steil einfallenden Störungen (> 60°) spiegelt in allen Modellen einen essentiellen Beitrag der elastischen Reservoirkompaktion zur kritischen Belastung der Störung wider, die im Kontrast zu tektonischen Modellen steht. Das größte Reaktivierungspotenzial der Grabenstörung wurde in den Modellen im oberen Bereich des Reservoirs und einem schmalen Abschnitt darüber beobachtet, an den kompartmentbildenden Verwerfungen tritt die Bruchinitiierung im unteren Bereich des Liegenden Reservoirhorizontes auf. Die Bruchausbreitung erfolgt entweder abwärts oder gleichzeitig auf- und abwärts entlang der Störung, wobei der übergeordnete heterogene Spannungszustand und die initiale Beschleunigung die Bruchausbreitung entweder begünstigen oder dämpfen können. Der isotrope Spannungszustand im Salz und die Aufschiebungstendenz unterhalb des Reservoirs stellen ultimative geologische Barrieren für die Bruchausbreitung dar. Die Bruchlänge und der maximale Versatz hängen dabei vorwiegend vom tektonischen Spannungszustand und seiner Modifikation durch die Porendruckabsenkung ab und spiegeln nur sekundär die simulierte Porendruckabsenkung wider. Die mögliche Abbildung der Reservoirverformung durch zwei unterschiedliche Effektivspannungskonzepte sowie die starke Sensitivität der Ergebnisse gegenüber verschiedenen Möglichkeiten der Störungsdarstellung heben fachspezifische Herausforderungen der numerischen Modellierung hervor. Aus den Modellierungsergebnissen lässt sich zusammenfassend kein einzelner, isolierter Parameter als Indikator für eine wahrscheinliche produktions-induzierten Reaktivierung von Störungen ableiten, weil das Reaktivierungspotenzial vor allem durch eine komplexe Wechselwirkung aus Anfangsspannungszustand, der Porendruckänderung und der Festigkeit von Störungen determiniert wird. Um die beobachtete Wechselwirkung verschiedener Parameter im Sinne einer Verstärkung oder Abschwächung des Reaktivierungspotenzials zu limitieren, muss der Parameterraum für detaillierte Vorhersagemodelle durch Struktur- und fallspezifische Daten weiter eingeschränkt werden. Nichtsdestotrotz liefert die vorgestellte FE- Modellierung ein grundlegendes Prozess- und Parameterverständnis und ermöglicht die Betrachtung von Szenarien und Grenzfällen in der Planung und dem Betrieb von Gaslagerstätten. Der präsentierte zweistufige Ansatz erlaubt zunächst die Identifizierung von kritischen Störungen und Belastungsfällen und evaluiert in einem zweiten Schritt die potenziellen Konsequenzen des kritischen Belastungsfalles in Form von dynamischer Bruchausbreitung. Hierbei stellt der vorgestellte Modellierungsansatz auch für andere geomechanische Problemstellungen, wie der Integrität von Deckgesteinen, ein vielversprechendes Werkzeug dar.

Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Engineering Geology
Date Deposited: 07 Mar 2019 14:54
Last Modified: 09 Jul 2020 02:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84760
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Alber, Prof. Dr. Michael
Date of oral examination: 19 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8476
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