Mathematical modeling and numerical simulation for enhanced understanding of geothermal reservoir stimulation by shear-dilation treatment

Konstruerte geotermiske systemer (Enhanced Geothermal Systems) for uttak av energi, har potensiale til å øke verdens geotermiske energiproduksjon betraktelig. I disse systemene produseres vann og/eller damp fra et stimulert oppsprukket reservoar, og brukes til varme eller kraft. Produksjonen opprettholdes ved re-injeksjon av vann fra overflaten ned i reservoaret. Reservoarstimuleringen forbedrer eller muliggjør kommersiell produksjon fra reservoaret, og denne teknologien er avgjørende for å øke utvinningen av geotermisk energi på verdensbasis (IEA Technology Roadmap, Geothermal Heat and Power, 2011). Stimuleringen gjøres ved at vann blitt pumpes ned i sprekkesystemene under trykk som er høye nok til at eksisterende sprekker åpnes. Når væsketrykket er tilstrekkelig i en situasjon der det er skjærspenning langs sprekken, vil friksjonen mellom sprekkeneflatene ikke lenger klare å holde flatene sammen og flatene "slipper". I denne prosessen vil sprekken samtidig åpnes siden de ru sprekkeflater forskyves i forhold til hverandre. For de harde bergarter vil overflateruheten gjøre at sprekkene holdes åpne i en ny posisjon. Dette forbedrer strømningsforholdene for fluid som tar varmen fra undergrunnen til overflaten under produksjon av reservoaret. I GeoStim prosjektet er det utviklet matematiske modeller og numeriske verktøy for å kunne simulere åpningen av sprekker. Dette har stor betydning for å bedre kunne forstå de viktige mekanismene i undergrunnen og på den måten utvikle de beste løsningene for produksjon av dyp geotermisk energi. Prosjektet har bidratt til bedre forståelse mekanismer for åpning av sprekker. Det er funnet en framgangsmåte for å håndtere kobling mellom deformasjon av sprekker og strømning, som inkluderer utvikling av numeriske metoder. Det er også i tillegg utviklet nye og forbedrede numeriske metoder for å modellere videre forplantning av stimulerte sprekker. Sentral programvare er publisert som åpen tilgjengelig kildekode. Det nye rammeverket håndterer modellering av tredimensjonale formasjoner i undergrunnen med kompliserte sprekkenettverk. Resultater fra denne modelleringen har identifisert viktige koblede mekanismer i stimulering av oppsprukne reservoarer som ikke tidligere har blitt studert, men som er viktige for å videreutvikle teknologi for økt utvinning av geotermisk energi.

The Enhanced Geothermal System (EGS) is an unconventional technology for producing geothermal energy from regions without natural convective hydrothermal resources. As most geothermal energy resources are located in such regions, the technology has a pote ntial to enlarge the geothermal resources amenable to energy production. The reservoir performance of an enhanced geothermal system depends on the presence of open interconnected fracture networks, or the ability to create such networks, as distributed and connected networks of fractures enable production from large reservoir volumes. In EGS reservoirs, the main mechanism of reservoir stimulation is not conventional hydraulic fracturing with propagation of tensile cracks away from the wellbore, but rath er shear displacements improving the permeability of existing fracture networks. With this strategy, which commonly is called shear-dilation treatment, it is possible to increase the permeability of formations with a pre-existing fracture network. Althou gh shear-dilation treatment has been applied to a large extent for reservoir stimulation, the mechanisms behind its failure or success is not well understood. Mathematical modeling and numerical simulations can be valuable tools in the employment of a she ar-dilation stimulation process, but the design of a reliable modeling framework requires a thorough understanding of the coupled hydraulic, mechanical and thermal processes involved. This crucial knowledge is currently limited, and is addressed in the pr oject, which has the following main deliverables: [D1] Increased understanding of the driving mechanisms of the shear-dilation treatment of reservoirs. [D2] Enhanced knowledge of the relevant model complexity for the shear-dilation process. [D3] Tailored numerical approaches for improved simulation of shear-dilation stimulation under realistic conditions.