Analysis of geomechanical thermal effects caused by geothermal flows

The paper presents analysis of impact of temperature effects on change of stress state during production heat energy from geothermal reservoir. The aim of this paper was achieved by using a method of effective coupling between reservoir-thermal simulations and geomechanical simulations as a hydro-thermo-mechanical coupling (H-T-M). As a part of this project, two synthetic reservoir simulation models were built, a reservoir-thermal model and a geomechanical model. Well doublet was implemented into the reservoir simulation model, a cold water injection well and a hot water production well. The simulation scenarios of reservoir fluid and heat energy flows were calculated for the geothermal reservoir using Eclipse and Visage simulators under the supervision of Petrel software platform (Schlumberger). The results of coupled simulations included distributions of reservoir parameters (pressure and temperature) and geomechanical parameters (stresses and strains) as functions of time. The received results were used for stress state analysis of a geothermal reservoir under changes of pressure and temperature. Consequently, it was possible to determine the contribution of temperature and pressure effects to the change of the stress tensor. The performed analysis also allowed to show which of these factors played a dominant role in the process of producing geothermal energy. The analysis of geomechanical state was also supplemented with reservoir rock stability analysis using Mohr’s circle diagrams, with particular emphasis on temperature effects. Coupled scenario simulations allowed to determine the operating parameters for the maximum thermal energy production from the geothermal reservoir. The time variability of the produced water temperature was investigated for each simulation scenario. The following operational parameters were correlated: the rate of water injection/production and the temperature of the injected water with the resulting characteristics of the geothermal energy production process: the time of reducing the temperature of the produced water to the limiting value and the total amount of thermal energy. The relationships found between the aforementioned parameters allowed for the optimization of operational parameters in terms of obtaining the maximum amount of thermal energy.

W pracy przedstawiono analizę wpływu efektów temperaturowych na zmianę stanu naprężeń w trakcie pracy złoża geotermalnego. Cel pracy został zrealizowany przy wykorzystaniu metody efektywnego sprzężenia symulacji złożowo-termalnych i geomechanicznych jako sprzężenia hydro-termo-mechanicznego (H-T-M). W ramach tego zadania zbudowano dwa syntetyczne złożowe modele symulacyjne, model przepływowo-termalny oraz model geomechaniczny. Do przepływowego modelu symulacyjnego zaimplementowano dublet otworów: jeden otwór zatłaczający zimną wodę i drugi – wydobywający gorącą wodę. Obliczenia różnych wariantów prognoz przepływu płynów złożowych i energii cieplnej dla złoża geotermalnego realizowano przy użyciu symulatorów Eclipse i Visage pod kontrolą oprogramowania Petrel firmy Schlumberger. W wyniku sprzężonych symulacji uzyskano rozkłady zmian parametrów złożowych (ciśnienia i temperatury) oraz zmian parametrów geomechanicznych (naprężeń i odkształceń) w funkcji czasu. Otrzymane wyniki obliczeń posłużyły do analizy stanu geomechanicznego złoża geotermalnego pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury. Dzięki temu możliwe było określenie udziałów efektów temperaturowych i efektów ciśnieniowych w zmianie tensora naprężeń. Wykonane analizy pozwoliły również na wykazanie, który z tych czynników odgrywał dominującą rolę w trakcie pozyskiwania energii geotermalnej. Analiza stanu geomechanicznego została także uzupełniona o analizę stabilności skały złożowej z użyciem diagramów koła Mohra, ze szczególnym uwzględnieniem efektów temperaturowych. Sprzężone symulacje wariantowe pozwoliły na określenie optymalnych parametrów operacyjnych pracy złoża geotermalnego. Zbadano zmienność w czasie temperatury wydobywanej wody dla każdego wariantu symulacyjnego. Skorelowano ze sobą następujące parametry operacyjne: wydajność zatłaczania/odbioru wody i temperaturę zatłaczanej wody oraz wynikowe charakterystyki procesu pozyskiwania energii geotermalnej: czas redukcji temperatury wydobywanej wody do zadanej wartości i całkowitą ilość pozyskanej energii cieplnej. Znalezione zależności pomiędzy wspomnianymi parametrami pozwoliły na optymalizację parametrów operacyjnych pod kątem pozyskania maksymalnej ilości energii cieplnej.