Ein optimierter semi-analytischer hydromechanischer Kopplungsansatz für die geologische CO$_{2}$-Speicherung : hydraulische Reaktivierung von Störungen

Adams, Markus; Ziegler, Martin; Azzam, Rafig

doi:10.18154/RWTH-2019-07007

Ein optimierter semi-analytischer hydromechanischer Kopplungsansatz für die geologische CO$_{2}$-Speicherung : hydraulische Reaktivierung von Störungen

Adams, Markus^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Adams

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XXIV, 273 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Azzam, Rafig (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07007
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/764773/files/764773.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CCS (frei) ; hydraulische Reaktivierung von Störung (frei) ; hydromechanische Kopplung (frei) ; Mehrphasenfluidfluss (frei) ; semi-analytisch (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Um der weltweiten Erderwärmung und dem dadurch verursachten Klimawandel zu begegnen, stellt Carbon Capture and Storage (CCS) eine vielversprechende Technologie dar, um den Zeitraum bis die weltweite Energiewirtschaft auf eine CO2-neutrale Energieerzeugung umgestellt ist, zu überbrücken. Hierbei wird CO2 aus den Rauchgasen von Kraftwerken abgeschieden, um anschließend langfristig in tiefliegenden geeigneten Formationen gespeichert zu werden. Damit CO2-Speicherstandorte sicher betrieben werden können, sind unerwünschte Prozesse wie beispielsweise die Freisetzung von gespeichertem CO2 in die Atmosphäre, die Migration von CO2 oder Formationsfluid aus tieferen Grundwasserleitern in oberflächennahe Süßwasserhorizonte sowie die Reaktivierung von Störungen, zu vermeiden. Hierfür sind sowohl deterministische und probabilistische Risikoanalysen notwendig. Da die Untersuchung des Prozesses einer hydraulischen Reaktivierung von geologischen Störungen rechenzeitintensive hydromechanisch gekoppelte numerische Simulationen erfordert, sind probabilistische Risikobetrachtungen, die eine Vielzahl von Realisierungen bedingen, nicht uneingeschränkt möglich. Für die Realisierung der Simulationen werden in der Regel sequenzielle Kopplungsmethoden verwendet. Hierbei wird der Mehrphasenfluidfluss-Prozess durch ein hydraulisches Programmsystem simuliert. Die hiermit ermittelte Porendruckverteilung wird anschließend nach jedem Simulationsschritt an ein geomechanisches Programmsystem übertragen, um einen hieraus resultierenden neuen Spannungs-Dehnungszustand zu ermitteln. Dieser wird in Form von aktualisierten Porositäten und Permeabilitäten an das hydraulische Programmsystem zurückgegeben, wobei der Datentransfer sowohl sequenziell iterativ oder nicht iterativ erfolgen kann. Um eine signifikante Rechenzeitersparnis zu erzielen, wird im Rahmen dieser Arbeit eine Kopplungsmethode entwickelt, in der aus dem Mehrphasenfluidfluss-Prozess resultierende Porendruckverteilungen weiterhin von einem hydraulischen Programmsystem ermittelt werden. Die aus einer Störungsreaktivierung resultierende geomechanische Antwort wird hierbei jedoch für unterschiedliche Bezugselemente innerhalb der Störung durch semi-analytische Funktionen in Abhängigkeit eines im Schnittpunkt zwischen Speicherformation und Störung definierten Referenzporendrucks berechnet. Die Parametrisierung des neuen Kopplungsansatzes erfolgt auf Basis einer hydromechanisch einweggekoppelten Einphasenfluidfluss-Simulation. Die mit dieser ermittelten Porenzahlentwicklungen einzelner Bezugselemente innerhalb der Störung werden auf einen einzigen im Schnittpunkt zwischen Speicherformation und Störung definierten Referenzporendrucks bezogen. Auf Basis der Ergebnisse einer Vielzahl von Parameterstudien, in denen hydromechanisch ein- und zweiweggekoppelte Simulationen unter Berücksichtigung von Einphasenfluidfluss mit dem Programmsystem ABAQUS durchgeführt wurden, konnte eine Gesetzmäßigkeit bezüglich der charakteristischen Verläufe dieser e(pref)-Funktionen ermittelt werden. Diese ermöglicht es den e(pref)-Verlauf durch fünf Parameter mathematisch zu beschreiben. Damit das hydromechanische Verhalten einer Störung durch die semi-analytische Parametrisierung zufriedenstellend beschrieben werden kann, müssen jedoch gewisse Kriterien erfüllt sein, die im Rahmen dieser Arbeit in fünf Hypothesen beschrieben wurden. Während Hypothese 1 bis 4 Invarianz der charakteristischen e(pref)-Verläufe in Bezug auf Größen wie die Injektionsrate oder initiale Störungspermeabilität postulieren, besagt Hypothese 5, dass während des CO2-Injektions¬prozesses das hydraulische Verhalten geologischer Störungen aufgrund von Rückhaltemechanismen vorwiegend durch die hydraulischen Eigenschaften des Formationsfluids bestimmt wird. Die Durchführung von zwei Untersuchungsreihen, die jeweils aus einer Vielzahl von Parameter-studien bestehen, ermöglichte es unter Verwendung des Programmsystems ABAQUS die Hypothesen 1 bis 4 unter Annahme von Einphasenfluidfluss zu validieren. In diesem Zusammenhang wurden neun synthetische stratigraphisch und strukturgeologisch unterschiedliche Modellvariationen, vier unterschiedliche Injektionsraten sowie unterschiedliche initiale Störungspermeabilitäten berücksichtigt. Für die numerische Implementierung des semi-analytischen Ansatzes in ABAQUS wurde eine neue Arbeitsumgebung entwickelt. Diese ermöglicht es, das konstitutive Verhalten einzelner Elemente in FE-Simulationen diskret durch analytische Ansätze zu beschreiben. Auf Basis von Zwischenergebnissen der numerischen Simulation können hierdurch einzelne Randbedingungen oder Materialparameter sukzessive nach jedem Simulationsschritt aktualisiert werden. Prinzipiell lassen sich auf diese Art und Weise sämtliche Materialparameter, die in ABAQUS in Abhängigkeit einer Feldvariablen definiert werden können sowie Randbedingungen wie beispielsweise die Temperatur, durch die neu entwickelte Arbeitsumgebung während einer FE-Simulation von außen steuern. Hierdurch ist diese Arbeitsumgebung auch für andere Fragestellungen, die eine komplexe Kopplung von analytischen und numerischen Methoden erfordern, adaptierbar. Abschließend wurde Hypothese 5 unter Verwendung der Programmsysteme TOUGH2-MP/ECO2N und FLAC3D für einen Anwendungsfall unter Berücksichtigung von Mehrphasenfluidfluss validiert. Hierzu wurde die Injektion von CO2 in eine tiefliegende Speicherformation unter Berücksichtigung von drei unterschiedlichen Injektionsraten simuliert. Hierbei wurde durch Verwendung des neu entwickelten semi-analytischen Kopplungsansatzes gegenüber einer sequenziell nicht iterativen Kopplung eine Rechenzeitersparnis um den Faktor 15 erzielt. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, einen neuen semi-analytischen Kopplungsansatz zur Untersuchung des hydromechanischen Verhaltens von geologischen Störungen, die durch induzierte Porendruckerhöhungen hydraulisch reaktiviert wurden, zu validieren. Da in diesem Zusammenhang eine exponentielle Permeabilitäts-Porositätsbeziehung verwendet wurde, konnte hierbei ein hohes Maß an nicht-linearen hydromechanischen Effekten berücksichtigt werden. Aufgrund der erzielten signifikanten Rechenzeitersparnis können mit diesem Ansatz zukünftig probabilistische Risikoanalysen durchgeführt.

Carbon Capture and Storage (CCS) is a promising technology to reduce the anthropogenic impact on global warming and climate change. It provides the possibility to inject the CO2 immission of, i.e., coal fired power plants into the geological subsurface and to retain it for thousands of years. Such a storage is necessary until the worldwide electricity industry uses renewable resources to produce electric power. Estimating the efficiency and sustainability of geological subsurface utilization, i.e., Carbon Capture and Storage (CCS) requires an integrated risk assessment approach, considering the occur-ring coupled processes, beside others, the potential reactivation of existing faults. In this context, hydraulic and mechanical parameter uncertainties as well as different injection rates have to be considered and quantified in a probabilistic manner to elaborate reliable environmental impact assessments. Consequently, the required sensitivity analyses consume significant computational time due to the high number of realizations that have to be carried out. For this purpose, iterative and non iterative two-way coupled simulations are state of the art. Using this type of coupling, the pore pressure distribution induced by CO2 injection into saline reservoirs is determined by a multiphase fluid flow simulator and transferred afterwards to a second simulator, which estimates the corresponding geomechanical response, i.e., stresses and strains. Based on these results, the porositiy and permeability of certain elements are updated. After transferring these parameters back to the multiphase fluid flow simulator, the next run starts. Due to the high computational costs of two-way coupled simulations in large-scale 3D multiphase fluid flow systems, these are not applicable for the purpose of uncertainty and risk assessments. Hence, an innovative semi-analytical hydromechanical coupling approach for hydraulic fault reactivation will be introduced in this manuscript. This approach determines the void ratio evolution in representative fault elements using one preliminary one-way coupled base simulation, considering one model geometry and one set of hydromechanical parameters. The void ratio development is then approximated and related to one reference pressure at the fault base to get e(pref) functions. The parametrization of the resulting functions is then directly implemented into a multiphase fluid flow simulator to carry out the semi-analytical coupling for the simulation of hydromechanical processes. Hereby, the iterative parameter exchange between the multiphase and mechanical simulators is omitted, since the update of porosity and permeability is controlled by one reference pore pressure at the fault base. The suggested procedure is capable to reduce the computational time required by coupled hydromechanical simulations of a multitude of injection rates by a factor of up to 15.A multitude of hydromechanically one- and two-way coupled single-phase fluid flow simulations were carried out with ABAQUS, to find a principle describing the characteristic run of e(pref) functions. Hence, the hydromechanical behavior of geological faults represented by the run of these curves can be mathematically described by five semi-analytical parameters. For that purpose, some criteria, i.e., the invariant behavior of the semi-analytical parameters with respect to the injection rate and the initial fault permeability are formulated by four hypotheses. During the process of CO2 injection, one further hypothesis additionally assumes the hydraulic behavior of faults to be influenced mainly by the fluid properties of brine as a consequence of trapping mechanisms retaining the CO2 plume to migrate towards faults. Based on extensive numerical investigations executed with ABAQUS comprising a multitude of parametric studies the first four hypotheses could be validated for the assumption of single-phase fluid flow. In this context, nine different synthetic geological models, four varying injection rates and many different initial fault permeabilities were investigated. For the numerical implementation of the semi-analytical coupling approach into ABAQUS a new frame work was implemented, to describe the constitutional behavior of certain elements by discrete analytical approaches. Hence, intermediate results of each simulation step can be used to update boundary conditions and material properties by an analytical approach. Finally, hypothesis five was validated by the execution of a case study under consideration of multiphase fluid flow simulated by the TOUGH2-MP/ECO2N und FLAC3D simulators. Therefore, the injection of CO2 into a saline aquifer considering three different injection rates was investigated. A comparison between results of two-way and semi analytically coupled simulations shows the validity of the new computationally efficient approach. The results of this scientific work point out that the semi-analytical coupling approach is capable to investigate the hydromechanical behavior of hydraulically reactivated geological faults induced by CO2 injection into saline aquifers. In advance, the suggested procedure reduces the computational time required by coupled hydromechanical simulations of a multitude of injection rates by a factor of up to 15.As a power law porosity-permeability relationship was used for the numerical simulations, a high degree of non-linear hydromechanical effects could be considered. Due to the benefit of low computational time, the new approach is capable to be used for probabilistic risk assessments.

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