THM numerical modeling of multiphase flow in fractured rock masses using zero-thickness interface elements
Authors:   , Barandiarán Villegas Lucía Belén 
Published: December 2024

(English) To address the impacts of climate change, several measures have been suggested among which utilizing renewable energy sources such as geothermal energy and implementing technologies such as hydrogen storage or CCUS. Some of these solutions imply the injection of fluids into fractured rock masses (e.g. depleted O&G reservoirs) with the subsequent change in local stress conditions. This alteration may lead to the initiation of micro-seismic events by reactivating existing faults or the generation of new fractures, with the risk of ultimately establishing pathways for fluid leakage. Additionally, depleted reservoirs contain multiphase and multicomponent fluids that could react chemically with the new injection fluids. Therefore, the accurate prediction of operation conditions demands advanced geomechanical software capable of evaluating the viability and safety of potential extraction or storage locations.
In this context, the main objective of this thesis is to develop a thermo-hydro-mechanical multiphase model in fractured porous medium with the Finite Element Method using zero-thickness interface elements to model discrete discontinuities. The main assumptions of the model are: the small strain theory, the system composition with two fluid phases (liquid and gas), two species (water and dry gas) and one solid phase. The gas phase follows the ideal gas law and the liquid phase evaporation is considered. The main variables are: displacements, phase pressures and temperature. The formulation takes into account: the equilibrium equation, the mass balance equation of the water species, the mass balance equation of the gas species and the balance of energy. The formulation of the discontinuities considers similar assumptions as the porous medium and takes into account a reduction factor of the water retention curve parameters based on the mechanical opening of the fracture. The model has been implemented and validated with academic verification examples in a FE code.
However, some limitations were observed related to the time integration scheme, the treatment of storage terms of the governing equations and the mass flow. This issues have motivated the following new developments: new mass-conservative approach for diffusion equations using FE formulations, a new physically-based exponential model which considers the pore size or aperture distribution in case of the porous medium or discontinuities, respectively, and a new damage-frictional law which properly models discontinuity closure.

(Català) Per mitigar les conseqüències del canvi climàtic s'han proposat diverses mesures, entre les quals es troben l'ús d'energies renovables com la geotèrmia i el desenvolupament de tecnologies com l'emmagatzematge d'hidrogen o CO₂, que requereixen la injecció de fluids dins de massissos rocosos fracturats (com els reservoris abandonats), cosa que suposa un canvi en l'estat tensional d'aquests. Aquesta alteració pot ocasionar el desencadenament d'esdeveniments micro-sísimics mitjançant la reactivació de falles geològiques o la creació de noves fractures que, en última instància, formarien camins preferencials per a la filtració dels fluids. A més, els reservoris abandonats contenen fluids multifase amb més d'una espècie que podrien reaccionar químicament amb els nous fluids injectats. Per tant, la predicció precisa de les condicions d'operació requereix una anàlisi profunda de la problemàtica, així com disposar d'un programari geomecànic avançat capaç d'avaluar la viabilitat i la seguretat dels possibles llocs d'extracció o emmagatzematge.
En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un model termo-hidro-mecànic (THM) acoblat multifase en un medi porós fracturat mitjançant el mètode dels Elements Finits emprant elements junta de gruix nul de doble node per representar les discontinuïtats. Les principals hipòtesis del model són: la teoria de petites deformacions, un sistema compost per dues fases fluides (líquida i gasosa), dues espècies (aigua i gas) i una fase sòlida; la fase gasosa es comporta d'acord amb la llei dels gasos ideals i es considera l'evaporació de la fase líquida. Les variables primàries són: desplaçaments, pressions de fase i temperatura. La formulació contempla: l'equació d'equilibri, l'equació de balanç de massa de l'espècie aigua, l'equació de balanç de massa de l'espècie gas i el balanç d'energia. La formulació de les discontinuïtats considera les mateixes hipòtesis que el medi porós i pren en compte un factor de reducció dels paràmetres de la corba de retenció basat en l'obertura mecànica de la fractura. El model ha estat implementat i validat amb exemples de verificació acadèmics en un codi 3D d'Elements Finits.
No obstant això, durant la fase de validació s'han trobat algunes limitacions del model, relacionades amb l'esquema d'integració temporal, pel que fa al tractament dels termes d'emmagatzematge de les equacions de govern i els fluxos de masa. Aquestes limitacions han motivat els següents nous desenvolupaments: una nova formulació que conserva la massa aplicada a les equacions de difusió en el medi porós i a les discontinuïtats, una nova corba de retenció de tipus exponencial que pren com a punt de partida la porosimetria en el cas del medi porós i la distribució d'obertures a les discontinuïtats, i, finalment, una nova llei constitutiva cohesiva-friccional per a les juntes que permet la modelació del tancament en descàrrega.

(Español) Para mitigar las consecuencias del cambio climático se han propuesto diversas medidas, entre las cuales se encuentran el uso de energías renovables como la geotermia y el desarrollo de tecnologías como el almacenamiento de hidrógeno o CO2, que requieren la inyección de fluidos dentro de macizos rocosos fracturados (como los reservorios abandonados), lo cual supone un cambio en el estado tensional del mismo. Dicha alteración puede ocasionar el desencadenamiento de eventos micro-sísmicos mediante la reactivación de fallas geológicas o la creación de nuevas fracturas que en última instancia formarían caminos preferenciales para la filtración de los fluidos. Además, los reservorios abandonados contienen fluidos multifase con más de una especie que podrían reaccionar químicamente con los nuevos fluidos inyectados. Por lo tanto, la predicción precisa de las condiciones de operación requiere un análisis profundo de la problemática, así como disponer un software geomecánico avanzado capaz de evaluar la viabilidad y la seguridad de los posibles lugares de extracción o almacenamiento.
En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un modelo termo-hidro-mecánico (THM) acoplado multifase en un medio poroso fracturado mediante el método de los Elementos Finitos empleando elementos junta de espesor nulo con doble nodo para representar las discontinuidades. Las principales hipótesis del modelo son: la teoría de pequeñas deformaciones, un sistema compuesto por dos fases fluidas (líquida y gaseosa), dos especies (agua y gas seco) y una fase sólida, la fase gaseosa se comporta de acuerdo a la ley de los gases ideales y se considera la evaporación de la fase líquida. Las variables primarias son: desplazamientos, presiones de fase y temperatura. La formulación contempla: la ecuación de equilibrio, la ecuación de balance de masa de la especie agua, la ecuación de balance de masa de la especie gas y el balance de energía. La formulación de las discontinuidades considera las mismas hipótesis que el medio poroso y toma en cuenta un factor de reducción de los parámetros de la curva de retención basado en la apertura mecánica de la fractura. El modelo ha sido implementado y validado con ejemplos de verificación académicos en un código 3D de Elementos Finitos.
Sin embargo, durante la fase de validación se han encontrado algunas limitaciones del al modelo, relacionadas con el esquema de integración temporal, en cuanto al tratamiento de los términos de almacenamiento de las ecuaciones de gobierno y los flujos másicos. Estas limitaciones han motivado los siguientes nuevos desarrollos: una nueva formulación de conservación de la masa aplicada a ecuaciones de difusión en el medio poroso y en las discontinuidades, una nueva curva de retención de tipo exponencial que toma como punto de partida la porosimetría en el caso del medio poroso y la distribución de aperturas en las discontinuidades, y, por último, una nueva ley constitutiva cohesivo-friccional para las juntas que permite la modelación del cierre en descarga.