Quick assessment through analytical solutions of induced seismicity in geo-energy applications
Authors:   , Wu Haiqing 
Published: March 2024

(English) Understanding the triggering mechanisms of induced seismicity remains one of the most critical challenges in geo-energy applications. This Thesis aims at assessing (1) fault stability and induced seismicity potential under various geological settings in the framework of poromechanics, and (2) poromechanical effects on the earthquake nucleation process. We propose two closed-form solutions for poromechanical stress and displacement due to pore pressure changes in the reservoir with the inclusion theory and Green’s function. The solutions are valid for various fault offsets, dip angles, reservoir lengths, and permeable and impermeable faults. Induced seismicity potential of impermeable faults is always larger than that of permeable faults. Ground displacement increases with fault dip and decreases with increasing fault offset, in contrast, reservoir geometry shows a stronger effect than fault geometry. Applying the analytical solutions to the Pohang Mw5.5 earthquake achieves both deterministic and stochastic poromechanical analyses, providing a consistent triggering mechanism of the mainshock. Results also show that a small overpressure can trigger a damaging earthquake when preexisting faults are initially critically stressed. Incorporating the analytical stress solution into the interfacial slip model reveals that including poroelasticity drastically affects the nucleation process, finding new slip regimes and reducing the magnitude of induced seismicity in some regimes. Analyzing the slip regime map and earthquake magnitude map finds the favorable and unfavorable conditions as a function of rock properties, background stress, and injection parameters for deploying geo-energy projects. Neglecting poroelastic effects cannot recognize many of such conditions.

(Català) Comprendre els mecanismes desencadenants de la sismicitat induïda continua sent un dels desafiaments més crítics en les aplicacions de geoenergia. Aquesta Tesi té com a objectiu avaluar (1) l'estabilitat de la falla i el potencial de sismicitat induïda en diversos entorns geològics en el marc de la poromecànica, i (2) els efectes poromecànics en el procés de nucleació sísmica. Proposem dues solucions de manera tancada per a l'estrès poromecànic i el desplaçament degut als canvis de pressió intersticial en el jaciment amb la teoria d'inclusió i la funció de Green. Les solucions són vàlides per a diverses compensacions de falles, angles de buzamiento, longituds de jaciments i falles permeables i impermeables. El potencial de sismicitat induïda de les falles impermeables és sempre major que el de les falles permeables. El desplaçament del sòl augmenta amb el buzamiento de la falla i disminueix amb l'augment del desplaçament de la falla; en contrast, la geometria del jaciment mostra un efecte més fort que la geometria de la falla. L'aplicació de les solucions analítiques al terratrèmol de Pohang Mw5.5 aconsegueix anàlisi poromecànics tant deterministes com estocàstics, la qual cosa proporciona un mecanisme desencadenant consistent del sisme principal. Els resultats també mostren que una petita sobrepressió pot desencadenar un terratrèmol nociu quan les falles preexistents se sotmeten inicialment a una tensió crítica. La incorporació de la solució de tensió analítica en el model de lliscament interfacial revela que incloure la poroelasticitat afecta dràsticament el procés de nucleació, trobant nous règims de lliscament i reduint la magnitud de la sismicitat induïda en alguns règims. En analitzar el mapa del règim de lliscament i el mapa de la magnitud del terratrèmol, es troben les condicions favorables i desfavorables en funció de les propietats de la roca, la tensió de fons i els paràmetres d'injecció per a implementar projectes de geoenergia. Menyspreant els efectes poroelàstics no es poden reconèixer moltes de tals condicions.

(Español) Comprender los mecanismos desencadenantes de la sismicidad inducida sigue siendo uno de los desafíos más críticos en las aplicaciones de geoenergía. Esta Tesis tiene como objetivo evaluar (1) la estabilidad de la falla y el potencial de sismicidad inducida en varios entornos geológicos en el marco de la poromecánica, y (2) los efectos poromecánicos en el proceso de nucleación sísmica. Proponemos dos soluciones de forma cerrada para el estrés poromecánico y el desplazamiento debido a los cambios de presión intersticial en el yacimiento con la teoría de inclusión y la función de Green. Las soluciones son válidas para varias compensaciones de fallas, ángulos de buzamiento, longitudes de yacimientos y fallas permeables e impermeables. El potencial de sismicidad inducida de las fallas impermeables es siempre mayor que el de las fallas permeables. El desplazamiento del suelo aumenta con el buzamiento de la falla y disminuye con el aumento del desplazamiento de la falla; en contraste, la geometría del yacimiento muestra un efecto más fuerte que la geometría de la falla. La aplicación de las soluciones analíticas al terremoto de Pohang Mw5.5 logra análisis poromecánicos tanto deterministas como estocásticos, lo que proporciona un mecanismo desencadenante consistente del sismo principal. Los resultados también muestran que una pequeña sobrepresión puede desencadenar un terremoto dañino cuando las fallas preexistentes se someten inicialmente a una tensión crítica. La incorporación de la solución de tensión analítica en el modelo de deslizamiento interfacial revela que incluir la poroelasticidad afecta drásticamente el proceso de nucleación, encontrando nuevos regímenes de deslizamiento y reduciendo la magnitud de la sismicidad inducida en algunos regímenes. Al analizar el mapa del régimen de deslizamiento y el mapa de la magnitud del terremoto, se encuentran las condiciones favorables y desfavorables en función de las propiedades de la roca, la tensión de fondo y los parámetros de inyección para implementar proyectos de geoenergía. Despreciando los efectos poroelásticos no se pueden reconocer muchas de tales condiciones.