Upscaling permeability for fractured porous rocks and modeling anisotropic flow and heat transport

Chen, Tao; Clauser, Christoph (Thesis advisor); Kolditz, Olaf (Thesis advisor); Marquart, Gabriele (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2017, 2018)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; 46. Ausgabe : GGE, Applied geophysics and geothermal energy 46. Ausgabe : GGE, Applied geophysics and geothermal energy
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (ii, 114 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die Modellierung der Strömung durch geklüftet-poröse Medien ist wichtig für das Grundwasserressourcen-Management, die Nutzung von Kohlenwasserstoffen und geothermischen Ressourcen, sowie die Abfallentsorgung, und die -Sequestrierung. In konventionellen Reservoir-Modellen wird das geklüftet-poröse Medium als ein sogenanntes äquivalentes Kluft-Modell angenommen, in dem eine gemittelte Kluftpermeabilität verwendet wird. Es ist jedoch noch nicht bekannt, wie man die Permeabilität der geklüftet-porösen Medien in einem feinen Maßstab am besten in herkömmliche Reservoir-Simulatoren in einem groben Maßstab übernimmt. Dieses Problem heißt Upscaling der Permeabilität. Darüber hinaus gehen Modellierungen anisotroper Strömungen in äquivalenten Kluft-Modellen häufig davon aus, dass der Permeabilitättensor diagonal ist. Das bedeutet, die Hauptrichtungen des Tensorellipsoides verlaufen immer entlang der Koordinatenachsen. Die äquivalente Kluftpermeabilität ist jedoch in der Regel ein voller Tensor. In dieser Arbeit wird eine neue Methode, die „Methode der Mehrfachen Grenzen“, entwickelt um die äquivalente Permeabilität von geklüftet-porösen Medien zu bestimmen. Inspiriert von den vorherigen Fluss-basierte Upscaling-Methoden, verwende ich eine Integration-Ansatz, der mehrere Integrationsgrenzen beinhaltet, um Durchflussgeschwindigkeiten innerhalb von Klüften zu berechnen. Die Methode wird durch Upscaling einer beliebig orientierten Fraktur, die durch ein kartesisches Gitter verläuft, geprüft. Außerdem wird die Methode für eine lange Kluft und ein Kluftnetzwerk mit unterschiedlichen Matrixdurchlässigkeiten in zwei Dimensionen angewendet. Die Method der Mehrfachen Grenzen wird in dreidimensionalen geklüftet-porösem Gestein angewandt und mit der Oda Upscaling Methode und der Volumen Mittelungs-Methode bezüglich der Berechnung äquivalenter Permeabilitäten verglichen. Das Hauptziel ist es, die Unterschiede zu veranschaulichen und Vor- und Nachteile der neuen Methode zu erörtern. Dabei werden verschiedene Aspekte berücksichtigt: (1) Kluftgröße, (2) Kluftorientierung, (3) Schnittpunkte der Klüfte, und (4) Tortuosität der Kluft. Zusätzlich wird die Methode der Mehrfachen Grenzen auf dreidimensionale, stochastisch erzeugte, diskrete Kluftnetzwerke angewendet und mit den beiden anderen Methoden verglichen. Ich erstelle zunächst einen Berechnungsrahmen für das Fluss-basierte Upscaling, in dem die Matrixpermeabilität der Gesteinsmatrix berücksichtigt wird. Dann analysiere ich die Häufigkeitsverteilung der äquivalenten Permeabilität und die Fehler zwischen dem äquivalenten Kluft-Modell und dem diskreten Kluft-Modell, wenn ein Strömungsproblem gelöst wird. Schließlich verwende ich die mimetische Finite-Differenzen-Methode (MFD) zur Diskretisierung der Strömungsgleichung in einem hydrothermalen Reservoir-Simulationscode, SHEMAT-Suite, der diese Gleichung mit der Wärmetransportgleichung koppelt. Ich vergleiche SHEMAT-Suite-mFD mit analytischen Lösungen von Pumpversuchen, wobei sowohl diagonale als auch volle Permeabilitättensoren verwendet werden. Ich vergleiche Ergebnisse von drei Maßstäben zur Prüfung der Fähigkeit von SHEMAT-Suite-mFD anisotrope Strömungen in porösen und geklüfteten Medien zu behandeln. Die Maßstäbe umfassen gekoppelte Strömungs- und Wärmetransportprobleme, dreidimensionale Probleme und Strömung durch ein geklüftet-poröses Medium mit vollen äquivalenten Permeabilitätstensoren.

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