Understanding and mitigating the post-injection seismicity induced by fluid injection in enhanced geothermal systems

Abstract

(English) Induced seismicity due to hydraulic stimulation and circulation is a hurdle for the development of Enhanced Geothermal Systems (EGS). The monitored seismicity has occasionally reached magnitudes large enough to be felt by local populations, and in several EGS cases the largest magnitude earthquakes occur few hours to several months after the cessation of the injection operations. This thesis aims to i) deepen the understanding of the processes that trigger such induced seismicity, ii) improve forecasting methodologies and iii) explore strategies to mitigate its occurrence. The focus is especially placed on post-injection seismicity. The well-documented case of Basel EGS, Switzerland, is adopted as verification example. Firstly, the identification of the triggering mechanisms at Basel is performed making use of a coupled hydro-mechanical model with increasing level of complexity. A simple fault-crossed elastic domain is compared with a homogeneous elastic domain to highlight the importance of structural heterogeneities on the direct and indirect (poroelastic) effects of pressure diffusion as triggering mechanisms of seismicity. Additionally, another hydro-mechanical model is implemented by a discrete faulting network, based on seismic interpretations. The model simulates the plastic reactivations of faults, and the effects of pore pressure diffusion, poroelastic stressing, shear-slip stress transfer and slip weakening are distinguished. Simulation results show that the faults located in the vicinity of the injection well fail during injection, mainly triggered by pore pressure build-up. At the stop of injection, poroelastic stress relaxation leads to the immediate rupture of faults that were stabilized during the injection. Stress redistribution is also a prominent triggering mechanisms of post-injection reactivation of distant faults. Slip-induced friction weakening on certain faults amplifies the potential of these faults to reactivate multiple time during injection and after its stop. The development of a forecasting methodology for induced seismicity is the second major achievement of this thesis. The hydro-mechanical model previously implemented is combined with a seismicity rate model, the Gutenberg-Richter law and the Epidemic Type Aftershock Sequence model to quantify the seismicity magnitude, of both mainshocks and aftershocks, associated to the stress changes due to fluid injection. The application of this hybrid methodology on the discrete-faulted hydro-mechanical model of Basel EGS gives the opportunity to explore the effects of different strategies of injection on the enhancement of fault permeability and induced seismicity rate. A constant injection protocol followed by a progressive decrease of injection rate mitigates post-injection seismicity, while enhancing the permeability of the faults in the domain. The thesis also addresses the discussion of the final cessation of injection, comparing the results of shut-in and bleed-off of the well. Results suggest that shutting-in the well can mitigate better early post-injection seismicity than bleeding-off the well, but pore pressure diffusion can destabilize critically-oriented faults in the reservoir for a longer period of time. By providing enhanced understanding, new methodologies and practical solutions, this thesis represents a substantial step-forward in the mitigation and control of induced seismicity, and in particular of post-injection seismicity, in EGS.

(Català) La sismicitat induïda per l'estimulació hidràulica i la circulació de fluids és un obstacle per al desenvolupament dels sistemes geotèrmics millorats (EGS per les seves sigles en anglès). La sismicitat registrada ha aconseguit ocasionalment magnituds prou grans com per a ser percebuda per la població local, i en diversos casos de EGS els terratrèmols de major magnitud es produeixen entre poques hores i diversos mesos després del cessament de les operacions d'injecció. Aquesta tesi té com a objectius i) aprofundir en el coneixement dels processos que desencadenen aquesta sismicitat induïda, ii) millorar les metodologies de previsió i iii) explorar estratègies per a mitigar la seva aparició. El focus se centra especialment en la sismicitat posterior a la injecció. Com a exemple de verificació s'adopta el ben documentat cas del EGS de Basilea (Suïssa). En primer lloc, es realitza la identificació dels mecanismes desencadenants de la sismicitat a Basilea fent ús d'un model hidromecánico acoblat amb un nivell de complexitat creixent. Es compara un domini elàstic travessat per una zona de falla amb un domini elàstic homogeni per a destacar la importància de les heterogeneïtats estructurals en els efectes directes i indirectes (poroelásticos) de la difusió de la pressió com a mecanismes desencadenants de la sismicitat. A més, un altre model hidromecánico s'implementa incloent una xarxa discreta de falles, basada en interpretacions sísmiques. El model simula les reactivacions plàstiques de les falles, i es distingeixen els efectes de la difusió de la pressió de porus, la tensió poroelástica, la transferència de tensió per cisalla i l'afebliment per lliscament. suggerir-los resultats de les simulacions mostren que les falles situades en les proximitats del pou d'injecció trenquen durant la injecció, provocat principalment per l'augment de la pressió de porus. En cessar la injecció, la relaxació de tensions poroelástica provoca la ruptura immediata de les falles que es van estabilitzar durant la injecció. La redistribució de tensions és també un important mecanisme desencadenant de la reactivació de falles distants després de la injecció. L'afebliment de la fricció induït per lliscament en falles amplifica el potencial d'aquestes falles per a reactivar-se diverses vegades durant la injecció i després del seu cessament. El desenvolupament d'una metodologia de previsió de la sismicitat induïda és el segon gran assoliment d'aquesta tesi. El model hidromecánico prèviament implementat es combina amb un model de taxa de sismicitat, la llei de Gutenberg-Richter i el model de seqüència de rèpliques (ETES per les seves sigles en anglès) per a quantificar la magnitud de la sismicitat dels terratrèmols pronosticats, associats als canvis de tensió deguts a la injecció de fluids. L'aplicació d'aquesta metodologia híbrida al model hidromecánico de falles discreta de Basilea EGS brinda l'oportunitat d'explorar els efectes de diferents estratègies d'injecció en l'augment de la permeabilitat de les falles i la taxa de sismicitat induïda. Un protocol d'injecció constant, seguit d'una disminució progressiva de la taxa d'injecció, mitiga la sismicitat posterior a la injecció, i continua augmentant la permeabilitat de les falles del domini. La tesi també aborda el debat sobre el cessament final de la injecció, comparant els resultats del tancament i la purga del pou. Els resultats suggereixen que el tancament del pou pot mitigar la sismicitat primerenca posterior a la injecció millor que la purga, però la difusió de la pressió de porus pot desestabilitzar les falles críticament orientades del jaciment durant un període de temps més llarg. En proporcionar una millor comprensió, noves metodologies i solucions pràctiques, aquesta tesi representa un avanç substancial en la mitigació i el control de la sismicitat induïda, especialment de la posterior al cessament de la injecció, en EGS.

(Español) La sismicidad inducida por la estimulación hidráulica y la circulación de fluidos es un obstáculo para el desarrollo de los sistemas geotérmicos mejorados (EGS por sus siglas en inglés). La sismicidad registrada ha alcanzado ocasionalmente magnitudes lo suficientemente grandes como para ser percibida por la población local, y en varios casos de EGS los terremotos de mayor magnitud se producen entre pocas horas y varios meses después del cese de las operaciones de inyección. Esta tesis tiene como objetivos i) profundizar en el conocimiento de los procesos que desencadenan esa sismicidad inducida, ii) mejorar las metodologías de previsión y iii) explorar estrategias para mitigar su aparición. El foco se centra especialmente en la sismicidad posterior a la inyección. Como ejemplo de verificación se adopta el bien documentado caso del EGS de Basilea (Suiza). En primer lugar, se realiza la identificación de los mecanismos desencadenantes de la sismicidad en Basilea haciendo uso de un modelo hidromecánico acoplado con un nivel de complejidad creciente. Se compara un dominio elástico atravesado por una zona de falla con un dominio elástico homogéneo para destacar la importancia de las heterogeneidades estructurales en los efectos directos e indirectos (poroelásticos) de la difusión de la presión como mecanismos desencadenantes de la sismicidad. Además, otro modelo hidromecánico se implementa incluyendo una red discreta de fallas, basada en interpretaciones sísmicas. El modelo simula las reactivaciones plásticas de las fallas, y se distinguen los efectos de la difusión de la presión de poro, la tensión poroelástica, la transferencia de tensión por cizalla y el debilitamiento por deslizamiento. sugerirlos resultados de las simulaciones muestran que las fallas situadas en las proximidades del pozo de inyección rompen durante la inyección, provocado principalmente por el aumento de la presión de poro. Al cesar la inyección, la relajación de tensiones poroelástica provoca la ruptura inmediata de las fallas que se estabilizaron durante la inyección. La redistribución de tensiones es también un importante mecanismo desencadenante de la reactivación de fallas distantes tras la inyección. El debilitamiento de la fricción inducido por deslizamiento en fallas amplifica el potencial de estas fallas para reactivarse varias veces durante la inyección y después de su cese. El desarrollo de una metodología de previsión de la sismicidad inducida es el segundo gran logro de esta tesis. El modelo hidromecánico previamente implementado se combina con un modelo de tasa de sismicidad, la ley de Gutenberg-Richter y el modelo de secuencia de réplicas (ETAS por sus siglas en inglés) para cuantificar la magnitud de la sismicidad de los terremotos pronosticados, asociados a los cambios de tensión debidos a la inyección de fluidos. La aplicación de esta metodología híbrida al modelo hidromecánico de fallas discreta de Basilea EGS brinda la oportunidad de explorar los efectos de diferentes estrategias de inyección en el aumento de la permeabilidad de las fallas y la tasa de sismicidad inducida. Un protocolo de inyección constante, seguido de una disminución progresiva de la tasa de inyección, mitiga la sismicidad posterior a la inyección, y sigue aumentando la permeabilidad de las fallas del dominio. La tesis también aborda el debate sobre el cese final de la inyección, comparando los resultados del cierre y la purga del pozo. Los resultados sugieren que el cierre del pozo puede mitigar la sismicidad temprana posterior a la inyección mejor que la purga, pero la difusión de la presión de poros puede desestabilizar las fallas críticamente orientadas del yacimiento durante un período de tiempo más largo. Al proporcionar una mejor comprensión, nuevas metodologías y soluciones prácticas, esta tesis representa un avance sustancial en la mitigación y el control de la sismicidad inducida, especialmente de la posterior al cese de la inyección, en EGS.