Tesis:
Sismicidad inducida en explotaciones de energía geotérmica. Simulación numérica acoplada de la estimulación hidráulica y sus efectos sobre el riesgo sísmico
- Autor: ANDRÉS MARTÍNEZ, Sandro
- Título: Sismicidad inducida en explotaciones de energía geotérmica. Simulación numérica acoplada de la estimulación hidráulica y sus efectos sobre el riesgo sísmico
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70649/
- Director/a 1º: CUETO-FELGUEROSO LANDEIRA, Luis
- Director/a 2º: SANTILLÁN SÁNCHEZ, David
- Resumen: La energía geotérmica es una fuente renovable y asequible que puede contribuir a la sostenibilidad energética. Habitualmente las condiciones de gradiente geotérmico (25-30 °C/km) implican alcanzar profundidades en las que la escasa permeabilidad de las formaciones rocosas hace inviable un aprovechamiento del recurso. Las técnicas englobadas en los “Enhanced Geothermal Systems” (EGS) buscan incrementar la permeabilidad del macizo rocoso mediante la estimulación hidráulica de su red de fracturas. Ello conlleva efectos adversos entre los que destaca la sismicidad inducida. Los detractores de los EGS inciden en el carácter destructivo de los terremotos inducidos, mientras que sus defensores argumentan que la energía geotérmica es lo bastante prometedora como para aceptar algunos riesgos. Las decisiones sobre estas tecnologías disruptivas deben tomarse después de un profundo debate fundamentado en el conocimiento científico. Así, en esta tesis se emplean modelos computacionales para comprender el acoplamiento entre los fenómenos termo-hidro-geomecánicos y fricciónales que controlan el riesgo sísmico en proyectos EGS. Estos modelos numéricos, realizados con el método de elementos finitos, permiten entender cómo se estimula la permeabilidad en el macizo rocoso y cómo se podría desencadenar la sismicidad, dilucidando las características de los terremotos inducidos en diversos escenarios de explotación. Esta tesis clarifica los mecanismos de fricción involucrados en la reactivación inducida de fallas por cambios en la presión de poro. Las leyes de fricción basadas en observaciones experimentales, si bien permiten explicar los terremotos tectónicos, tienen ciertas implicaciones cuando se aplican a terremotos inducidos por la inyección de fluidos. Los resultados de este trabajo indican que la evolución de la presión de agua en los poros, debida a las actividades de inyección y extracción, produce un efecto diferido en la resistencia friccional de la falla. Según este enfoque esencialmente friccional, los protocolos de inyección pueden diseñarse para minimizar el riesgo sísmico. Además, parámetros del modelo como la velocidad característica de deslizamiento de la falla, pasan a tener un papel fundamental en la respuesta friccional y su regularización en fallas en reposo. Esto pone de manifiesto la necesidad de nuevas observaciones experimentales que prueben la validez de los modelos constitutivos de fricción en escenarios en los que la presión de poro es determinante en la reactivación del contacto. Asimismo, se muestra cómo la presión de poro y el acoplamiento poroelástico condicionan la propagación de la ruptura sísmica a lo largo de la falla y determinan su grado de simetría. En la literatura, los patrones de rupturas unidireccionales observados en registros sísmicos se explican por contrastes en las propiedades de los materiales o por la geometría de la falla. Los resultados de esta tesis muestran que, incluso sin contraste en los materiales, el acoplamiento poroelástico determina la dirección preferente de propagación de la ruptura sísmica, dependiendo de factores como las tensiones de confinamiento o la ubicación del pozo de inyección. La metodología empleada en esta tesis, aplicada a yacimientos EGS concretos, permite anticipar un incremento del riesgo sísmico inducido por la estimulación hidráulica y ubicar los hipocentros con relativa precisión. En particular, se modela el yacimiento de Basilea (Suiza), obteniéndose resultados que se asemejan a los registros en términos de reactivación de la falla, propagación de la ruptura y magnitud del sismo. Se muestra, además, que las alteraciones térmicas por la inyección son poco relevantes durante la estimulación hidráulica, si bien a largo plazo pueden implicar un agotamiento térmico del yacimiento, que depende en gran medida de la permeabilidad de las fracturas. Del mismo modo, modelar explícitamente la red de fracturas del yacimiento presenta una serie de problemas, como la escasez de datos sobre su estructura o la complejidad geométrica del modelo. Los modelos clásicos de doble porosidad intentan solventar estas dificultades empleando continuos equivalentes para reproducir el flujo y la deformación en medios fracturados. Para ello asumen que la presión de poro se equilibra instantáneamente dentro de la matriz porosa, lo cual puede no cumplirse en medios fracturados heterogéneos. En esta tesis se estudian diversas maneras de modelar el flujo y la deformación acoplados en medios heterogéneos fracturados, desarrollando un nuevo enfoque teórico basado en los modelos de doble porosidad con poroelasticidad. Este enfoque evita modelar explícitamente la red de fracturas y reproduce los resultados de las simulaciones con fracturas explícitas de manera casi idéntica, por lo que puede resultar especialmente útil para reproducir la inyección y extracción de fluidos en macizos rocosos muy fracturados. En conclusión, esta tesis aporta avances en el conocimiento de la poromecánica de macizos fracturados y su acoplamiento con los procesos de flujo y geomecánicos a escalas de falla y yacimiento. Se proporcionan así herramientas computacionales y teóricas que ayudan a minimizar el riesgo sísmico asociado a la estimulación hidráulica en yacimientos geotérmicos. Las conclusiones de esta tesis contribuirán a mejorar la competitividad de la energía geotérmica, convirtiéndola en pieza fundamental de la descarbonización del sistema energético global. ----------ABSTRACT---------- Geothermal energy is an afordable and renewable resource that may help to energy sustainability. At the most common conditions of geothermal gradient (25– 30 •C/km), the natural permeability of the rock at the required depth prevents an energy-efcient use of this resource. The techniques of the “Enhanced Geothermal Systems” (EGS) allow to increase permeability by means of the hydraulic stimulation of the rock mass fracture network. The stimulation of permeability has adverse efects, as for instance induced seismicity. Detractors of EGS emphasize the destructive potential of induced earthquakes, while defenders argue that geothermal energy is promising enough to accept some risks. The decisions about disruptive technologies must be made after a deep debate based on scientifc knowledge. This thesis uses computational models to understand the coupling between the thermo-hydro-geomechanical and frictional phenomena that control seismic risk in EGS projects. These numerical models, based on the fnite element method, make it possible to understand how rock permeability is stimulated and how seismicity may be triggered, and also to determine the characteristics of induced earthquakes under diferent exploitation scenarios. This work elucidates the frictional mechanisms involved in fault reactivation induced by pore pressure changes. Friction laws based on laboratory scale observations explain tectonic earthquakes, but some implications arise when applied to injection-induced earthquakes. This thesis shows that the evolution of water pressure in pores, due to fuid injection and extraction, produces a delayed efect on the fault frictional strength. According to this frictional approach, injection protocols can be designed to minimize seismic risk. In addition, model parameters, such as the characteristic slip velocity of the fault, largely determine the frictional response and its regularization in faults at rest. This highlights the need for new experimental observations to test the validity of constitutive friction models when pore pressure plays an important role on reactivation and frictional contact. Likewise, this thesis shows how pore pressure and poroelastic coupling determine the propagation of seismic rupture along the fault and its degree of symmetry. In the literature, the unidirectional rupture patterns observed in earthquake catalogues are explained by contrasts in the material properties and by fault geometry. This thesis shows that, even without material contrast, poroelastic coupling determines the preferred direction of earthquake propagation, depending on parameters such as the confning stresses or the position of the injection well. The methodology used in this thesis, applied to specifc EGS reservoirs, allows to anticipate an increase in seismic risk induced by hydraulic stimulation and to locate the hypocenters with some precision. In particular, this work models the Basel (Switzerland) geothermal reservoir, obtaining results similar to the records in terms of fault reactivation, rupture propagation and earthquake magnitude. It is also observed that the thermal alterations due to the injection are not relevant during the hydraulic stimulation, although in the long term can induce a thermal decline of the reservoir, which is highly dependent on fracture permeability. Explicitly modeling the fracture network of the reservoir presents some challenges, such as the lack of fracture network-structure data or the geometric complexity of the model. Classical dual-porosity models attempt to overcome these difculties by employing equivalent continua to reproduce fow and deformation in fractured media. They assume that the pore pressure equilibrates instantly within the porous matrix, which may not be satisfed in heterogeneous fractured media. This thesis studies several methods to model coupled fow and deformation in fractured heterogeneous media, and proposes a new theoretical approach based on double-porosity poroelasticity models. This approach avoids the need to model the fracture network, and provides a good agreement with high-fdelity numerical simulations, so it can be particularly useful to reproduce fuid injection and extraction in highly-heterogeneous fractured media. In conclusion, this thesis contributes to advance in the knowledge of poromechanics in fractured rock masses and its coupling with fow and geomechanical processes at the fault and reservoir scales. It provides computational and theoretical tools that help minimize the seismic risk associated with hydraulic stimulation in EGS reservoirs and fuid injection in underground formations. The contributions of this thesis may help improve the competitiveness of geothermal energy as a renewable source, making it a fundamental piece to decarbonise the global energy system.