An Integrated Geological and Mathematical Framework for the Characterization, Modelling and Simulation of Fractured Geothermal Reservoirs

Geotermal energi er en bærekraftig og fornybar energiressurs som per idag først og fremst utnyttes i de deler av verden som ligger nært aktive tektoniske plategrenser. Dette fordi slike grenser er knyttet til vulkanisme og det derfor er rik tilgang på varme i bakken som kan utnyttes til energiformål. Det er imidlertid et stort potensial for å utnytte geotermal energi fra områder som ligger lenger borte fra slike plategrenser, og hvor det ikke finnes vulkanisme. Dette kan gjøres ved å bore til større dyp (4-5 km eller mer). I såkalte "Enhanced Geothermal Systems" (EGS) utvinnes varme fra reservoarer der væskestrøm hovedsaklig foregår i sprekker i reservoarbergartene. Kaldt vann injiseres i det dype reservoaret, strømmer gjennom sprekker og blir varmet opp av det omkringliggende berget, før det oppvarmede vannet bringes tilbake til overflaten for å utnyttes til energiformål. For å forstå egenskapene og dynamikken i et slikt reservoar er det nødvendig å forstå hvordan reservoarbergarten utveksler varme med vannet, og hvordan vannet strømmer gjennom sprekkene. Slik forståelse oppnås ved å kombinere flere felt, og to av de viktigste i den sammenheng er geologisk reservoarkarakterisering og matematisk modellering. Geologene karakteriserer og måler egenskapene til bergart og sprekker, i et forsøk på å skaffe til veie så mye informasjon om reservoaret som mulig. Matematikerne bruker så denne informasjonen for å modellere væskestrøm og varmeutveksling i resevoaret. Noen av utfordringene med denne fremgangsmåten er at i) man har ikke en fullgod forståelse av hvilke geologiske parametre som gir den mest direkte forståelsen av flyt-egenskaper i sprekker, og ii) eksisterende matematiske simuleringsverktøy gir ikke god nok representasjon av reservoarets geologiske detaljer. Dette prosjektet har hatt som mål å finne løsninger på disse utfordringene, ved å bringe den geologiske og matematiske forståelsen av geotermale resevoarer nærmere hverandre, og utvikle nye og forbedrede metoder. I prosjektet har vi fokusert på hvordan naturlige sprekkessystemer kan studeres, karakteriseres og modelleres matematisk, for å utvikle metoder og forståelse som vi kan bruke i geotermale energisystemer. Ved hjelp av disse studiene har vi oppnådd flere gjennombrudd i å få til en mer realistisk representasjon av sprekkedata i matematiske modeller. Dette innebærer blant annet at vi har identifisert hvilke geologiske parametre som er kritiske for korrekt og forbedret representasjon i reservoar- og simuleringsmodeller, samt at vi har etablert modellerings- og simuleringsmetoder som evner å reprodusere egenskapene til naturlige sprekkenettverk på en mer realistisk måte enn det som er mulig med eksisterende metoder. Vi har utviklet nye matematiske metoder og programvare, og ny kunnskap om hvordan man kan bruke matematiske konsepter for å beskrive geologiske sprekkenettverk på en kvantitativ måte. Det aller viktigste gjennombrudded vi har oppnådd i dette prosjektet er at vi har klart å utvikle metoder for stokastisk sprekkemodellering som gjør seg nytte av kvantitativ informasjon om konnektivitet i sprekkenettverk basert på topologiske data fra naturlige sprekkenettverk. Arbeidet har resultert i 30 bidrag til ulike internasjonale konferanser og møter, og har resultert i 20 vitenskapelige publikasjoner i form av fagfellevurderte artikler i internasjonale tidsskrift.

The project has (i) developed new insights into the characterization and quantitative description of fracture networks, and (ii) improved the integration of such data into reservoir models and numerical simulations of fluid flow and energy extraction, and (iii) developed new numerical medthods/tools for integration/honouring of quantitative network topology into fracture grid models. Of particular significance is the achievement of developing numerical methods that are able to integrate topological fracture network data into simulation models. For geothermal reservoir characterization and modelling globally, application of the methods developed in this project has the potential to help create more accurate reservoir and simulation models, which in turn can contribute to more accurate and improved modelling and forecasting of energy extraction in geothermal systems.

Fractures represent the main conduits for fluid flow in Enhanced Geothermal Systems (EGS) and characterization of fractures with the aim to understand fluid flow generally involves collection and identification of a range of different fracture data. Based on the data, simulation models are constructed with the aim of identifying the fracture network's impact on reservoir dynamics. Geological modeling and simulation are both crucial for assessing the commercial viability of production strategies for fractured geothermal reservoirs, but the current practice is hindered by the following obstacles: - Despite a global wealth of knowledge of fractured reservoirs, it is unclear which set of fracture parameters that provide the most direct route to realistically predicting flow properties. - Computational efficient simulation tools that also preserve a necessary level of geological detail are still to be developed - The above points can only be addressed by combining advancement within characterization and simulation of fractured media; however, state of the art within the two fields advance separately, and advancement in one only slowly spills into the other. In this project, we will overcome these difficulties by developing an integrated geological and mathematical framework for collection and mutual transfer of data between geological and simulation models for EGS. The main deliverables of the project are: [D1] Optimized geological data types and formats and best-practice workflow for collection of geological data that provide the most direct route to realistic prediction of flow properties. [D2] Simulation models based on optimized geological input that accounts for the topological characteristics of fracture networks. [D3] A fully integrated geological-mathematical framework for reservoir characterization and flow simulation for geothermal basement reservoirs.