Process understanding of induced seismicity during stimulation of enhanced geothermal systems

Abstract

(English) This doctoral thesis investigates the causes that induce (micro)seismicity as a result of hydraulic stimulation in fractured low-permeability rock. Understanding such phenomenon is of paramount importance to eventually forecast induced seismicity in geo-energy applications, like Enhanced Geothermal Systems (EGS). The research is driven by both scholarly and engineering considerations, addressing the intricate coupled hydro-mechanical (HM) processes that are at play and aiming to advance in the understanding of the mechanisms underlying co-seismicity during the hydraulic stimulation phase of EGS. The thesis begins with a comprehensive review of existing modeling methodologies of coupled processes in fractured rock. This exploration highlights the significant advancements these methodologies have brought to the foundational understanding of fractures, ultimately improving predictive capabilities related to coupled processes within fractured systems. The subsequent focus of the research involves an investigation into the flow regimes induced by constant flow rate water injection into a fracture surrounded by a low-permeability matrix. The study sheds light on the implications for hydraulic test interpretation and numerical simulations. The findings reveal that even in very low-permeability confining rock matrix, leakage is non-negligible due to the small fracture aperture, which maximizes pressure gradients across the fracture-matrix interface. The transition between flow regimes, often overlooked in field tests, has important implications for accurately estimating fracture transmissivity in injection tests in fractured media and modeling approaches. The thesis then proposes an innovative approach for the implicit representation of fractures surrounded by low-permeability rock matrix. This approach assimilates fractures as equivalent continua, demonstrating that a relatively thick equivalent continuum layer can accurately represent a fracture and reproduce HM behavior. The proposed method is validated through the modeling of a hydraulic stimulation carried out at the Bedretto Underground Laboratory, showcasing its ability to improve the simplicity and efficacy of continuum methods in representing fractures in fractured media. Finally, the research delves into the modeling of a highly-monitored test at the Bedretto Underground Laboratory to investigate the impact of fluid injection on permeability enhancement and induced microseismicity. Three models are examined, with the viscoplastic fracture with dilatancy and strain-weakening approach emerging as the most comprehensive in capturing the spatio-temporal coupled response of fractured rock to hydraulic stimulation. This model proves effective in estimating the extent of the stimulated fracture, permeability enhancement, and its impact on the local state of stress and pore pressure at surrounding fractures, presenting a valuable tool for the design of effective hydraulic stimulation. In summary, this doctoral thesis contributes to the understanding of micro-seismicity induced by EGS operations, offering insights into coupled processes, flow regimes, and innovative modeling approaches, ultimately advancing the field of geothermal energy research and hydraulic stimulation design.

(Català) Aquesta tesi doctoral investiga les causes que indueixen la (micro)sismicitat com a resultat de l'estimulació hidràulica en roques fracturades de baixa permeabilitat. Comprendre aquest fenomen és de vital importància per a preveure la sismicitat induïda en aplicacions geoenergéticas, com els sistemes geotèrmics millorats (EGS per les seves sigles en anglès). La recerca està impulsada per consideracions tant acadèmiques com ingenieriles, abordant els intricats processos hidromecánicos (HM) acoblats que entren en joc i amb l'objectiu d'avançar en la comprensió dels mecanismes subjacents a la cosismicidad durant la fase d'estimulació hidràulica dels EGS. La tesi comença amb una revisió exhaustiva de les metodologies de modelització existents dels processos acoblats en roques fracturades. Aquesta exploració posa en relleu els importants avanços que aquestes metodologies han aportat a la comprensió fonamental de les fractures, millorant en última instància les capacitats de predicció relacionades amb els processos acoblats dins dels sistemes fracturats. A continuació, la recerca se centra en els règims de flux induïts per la injecció d'aigua a cabal constant en una fractura envoltada per una matriu de baixa permeabilitat. L'estudi llança llum sobre les implicacions per a la interpretació d'assajos hidràulics i simulacions numèriques. Els resultats revelen que, fins i tot en una matriu de roca confinante de molt baixa permeabilitat, les fugides no són menyspreables a causa de la petita obertura de la fractura, que maximitza els gradients de pressió a través de la interfície fractura-matriu. La transició entre règims de flux, que sovint es passa per alt en els assajos de camp, té importants implicacions per a estimar amb precisió la transmissivitat de la fractura en les proves d'injecció en mitjans fracturats i en els plantejaments de modelització. A continuació, la tesi proposa un enfocament innovador per a la representació implícita de fractures envoltades per una matriu rocosa de baixa permeabilitat. Aquest enfocament assimila les fractures com a mitjans continus equivalents, demostrant que una capa de mig continu equivalent relativament gruixuda pot representar amb precisió una fractura i reproduir el comportament HM. El mètode proposat es valguda mitjançant la modelització d'una estimulació hidràulica duta a terme en el Laboratori Subterrani de Bedretto, mostrant la seva capacitat per a millorar la simplicitat i eficàcia dels mètodes continus en la representació de fractures en mitjans fracturats. Finalment, la recerca aprofundeix en la modelització d'una prova altament monitorada en el Laboratori Subterrani de Bedretto per a investigar l'impacte de la injecció de fluids en l'augment de la permeabilitat i la microsismicitat induïda. S'examinen tres models, i el de fractura viscoplástica amb dilatancia i afebliment per deformació resulta ser el més complet per a captar la resposta acoblada espaciotemporal de la roca fracturada a l'estimulació hidràulica. Aquest model resulta eficaç per a estimar l'extensió de la fractura estimulada, la millora de la permeabilitat i el seu impacte en l'estat local de tensió i pressió de porus en les fractures circumdants, presentant una valuosa eina per al disseny d'una estimulació hidràulica eficaç. En resum, aquesta tesi doctoral contribueix a la comprensió de la microsismicitat induïda per les operacions EGS, oferint una visió dels processos acoblats, els règims de flux i els enfocaments de modelatge innovadors, avançant en última instància en el camp de la recerca de l'energia geotèrmica i el disseny de l'estimulació hidràulica.

(Español) Esta tesis doctoral investiga las causas que inducen la (micro)sismicidad como resultado de la estimulación hidráulica en rocas fracturadas de baja permeabilidad. Comprender este fenómeno es de vital importancia para prever la sismicidad inducida en aplicaciones geoenergéticas, como los sistemas geotérmicos mejorados (EGS por sus siglas en inglés). La investigación está impulsada por consideraciones tanto académicas como ingenieriles, abordando los intrincados procesos hidromecánicos (HM) acoplados que entran en juego y con el objetivo de avanzar en la comprensión de los mecanismos subyacentes a la cosismicidad durante la fase de estimulación hidráulica de los EGS. La tesis comienza con una revisión exhaustiva de las metodologías de modelización existentes de los procesos acoplados en rocas fracturadas. Esta exploración pone de relieve los importantes avances que estas metodologías han aportado a la comprensión fundamental de las fracturas, mejorando en última instancia las capacidades de predicción relacionadas con los procesos acoplados dentro de los sistemas fracturados. A continuación, la investigación se centra en los regímenes de flujo inducidos por la inyección de agua a caudal constante en una fractura rodeada por una matriz de baja permeabilidad. El estudio arroja luz sobre las implicaciones para la interpretación de ensayos hidráulicos y simulaciones numéricas. Los resultados revelan que, incluso en una matriz de roca confinante de muy baja permeabilidad, las fugas no son despreciables debido a la pequeña abertura de la fractura, que maximiza los gradientes de presión a través de la interfaz fractura-matriz. La transición entre regímenes de flujo, que a menudo se pasa por alto en los ensayos de campo, tiene importantes implicaciones para estimar con precisión la transmisividad de la fractura en las pruebas de inyección en medios fracturados y en los planteamientos de modelización. A continuación, la tesis propone un enfoque innovador para la representación implícita de fracturas rodeadas por una matriz rocosa de baja permeabilidad. Este enfoque asimila las fracturas como medios continuos equivalentes, demostrando que una capa de medio continuo equivalente relativamente gruesa puede representar con precisión una fractura y reproducir el comportamiento HM. El método propuesto se valida mediante la modelización de una estimulación hidráulica llevada a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto, mostrando su capacidad para mejorar la simplicidad y eficacia de los métodos continuos en la representación de fracturas en medios fracturados. Por último, la investigación profundiza en la modelización de una prueba altamente monitorizada en el Laboratorio Subterráneo de Bedretto para investigar el impacto de la inyección de fluidos en el aumento de la permeabilidad y la microsismicidad inducida. Se examinan tres modelos, y el de fractura viscoplástica con dilatancia y debilitamiento por deformación resulta ser el más completo para captar la respuesta acoplada espaciotemporal de la roca fracturada a la estimulación hidráulica. Este modelo resulta eficaz para estimar la extensión de la fractura estimulada, la mejora de la permeabilidad y su impacto en el estado local de tensión y presión de poros en las fracturas circundantes, presentando una valiosa herramienta para el diseño de una estimulación hidráulica eficaz. En resumen, esta tesis doctoral contribuye a la comprensión de la microsismicidad inducida por las operaciones EGS, ofreciendo una visión de los procesos acoplados, los regímenes de flujo y los enfoques de modelado innovadores, avanzando en última instancia en el campo de la investigación de la energía geotérmica y el diseño de la estimulación hidráulica.