Published December 16, 2020 | Version v1
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Fracture network characterization in enhanced geothermal systems by induced seismicity analysis

Description

Fracture networks in underground reservoirs are important pathways for fluid flow and therefore a deciding factor in the development of geothermal reservoirs. Yet, they are difficult to characterize since they usually cannot be directly accessed. Subject of the doctoral project is to study induced seismicity in enhanced geothermal systems to characterize the underground fracture network. The main objectives are to get a better understanding of the structures controlling the fluid flow and the processes responsible for induced seismicity. The first part of this work focuses on the case study of the Rittershoffen deep geothermal reservoir. It is demonstrated how the integration of advanced processing techniques like template matching detection, relative relocation and waveform clustering can lead to a deeper insight into the structure of the fault system and its reaction to repeated fluid injection. The well GRT1 at Rittershoffen offers unique conditions for such a study. It underwent a sequence of thermal, chemical and hydraulic stimulation, giving the opportunity to perform a detailed monitoring of the seismic response of the fault systems to fluid injections with different operational set-ups. By the applied processing, a much higher level of detail in the tempo-spatial resolution was derived than in previous studies on the induced seismicity at Rittershoffen. The results demonstrate the development of the successively activated fault network over the injection steps by tracing the influence of the different stimulations and allow for an analysis of the mechanisms behind the induced seismicity. Two spatially separated fault segments became seismically active over the course of the stimulation sequence, one during the injections itself, the other at the very end of the hydraulic stimulation and then again four days after shut-in. Seismicity on this two fault segments shows distinct characteristics in terms of event migration and waveform clusters, hinting at different fault activation mechanism. Seismicity on the first fault shows similar characteristics for the thermal and hydraulic stimulation in the area active during both injections. The well-known geological setting and unique operational set-up in combination with the detailed analysis allowed to derive a deeper understanding of the hydro-mechanical interactions in the reservoir and demonstrated a change in the mechanical state of the fault between seismicity onset during thermal and hydraulic stimulation. In the case of the seismicity induced at Rittershoffen, the relative re-location of the events made two planar fault segments apparent, whose orientations and extends are well confined. Yet, it may be that despite the precise re-location of induced seismic events, the associated structures in other underground reservoirs remain unclear because the seismicity forms a rather dense spatial cloud, which makes individual features difficult to detect. Therefore, in the second part of this work, a new method is proposed to highlight the fracture network in seismic clouds that do not form apparent planar structures. With this method, the likelihood of having a fracture at a given location is computed from the distribution of seismic events and their source parameters. The result takes the form of a so-called Pseudo Probabilistic Fracture Network (PPFN). Contrary to other methods that try to highlight fracture networks in seismic clouds, the PPFN takes into account not only the event hypocenters but also their magnitudes and focal mechanisms, to keep a closer link with the geophysical properties of the earthquakes. The basic principle of the PPFN is to estimate the connectivity between any spatial position in the seismic cloud and the events based on the distance to each event, the minimum size of the rupture plane derived from the event magnitude, and the orientation provided by the focal mechanism. The PPFN is tested on a set of synthetic datasets, where it is demonstrated that the method is able to reproduce fault planes placed in a cloud of randomly distributed events. The PPFN is then applied to the seismic cloud induced during the stimulation of the GPK2 well, at Soultz-sous-Forets deep geothermal site. It reveals a large prominent fault in the deep-northern part of the seismic cloud, supporting conclusions from previous work, and a minor structure in the southern upper part, which may be a branch of the main fault. (author)

Abstract (French)

Les reseaux de fractures dans les reservoirs souterrains sont des voies importantes d'ecoulement des fluides et donc un facteur decisif dans le developpement des reservoirs geothermiques. Pourtant, ils sont difficiles a caracteriser car ils ne sont generalement pas directement accessibles. Le sujet de cette these de doctorat est l'etude de la sismicite induite dans les systemes geothermiques ameliores afin de caracteriser le reseau de fractures souterraines. Les principaux objectifs sont de mieux comprendre les structures qui controlent l'ecoulement des fluides et les processus responsables de la sismicite induite. La premiere partie de ce travail se concentre sur l'etude de cas que constitue le reservoir geothermique profond de Rittershoffen. Il est demontre comment l'integration de techniques de traitement avancees, telles que la detection par 'template matching', la relocalisation relative et le regroupement de formes d'onde, peut conduire a une meilleure comprehension de la structure du systeme de failles et de sa reaction a l'injection repetee de fluide. Le puits GRT1 de Rittershoffen offre des conditions uniques pour une telle etude. Il a ete soumis a une sequence de stimulation thermique, chimique et hydraulique, ce qui a permis d'effectuer un suivi detaille de la reponse sismique des systemes de failles aux injections de fluides avec differents dispositifs operationnels. Grace au traitement applique, la resolution spatio-temporelle a atteint un niveau de detail beaucoup plus eleve que celui des etudes precedentes sur la sismicite induite a Rittershoffen. Les resultats demontrent le developpement progressif du reseau de failles activees au cours des etapes d'injection en retracant l'influence des differentes stimulations et permettent d'analyser les mecanismes a l'origine de la sismicite induite. Deux segments de faille separes dans l'espace sont devenus sismiquement actifs au cours de la sequence de stimulation, l'un pendant les injections elles-memes, l'autre a la toute fin de la stimulation hydraulique, puis a nouveau quatre jours apres l'arret. La sismicite sur ces deux segments de faille presente des caracteristiques distinctes en termes de migration d'evenements et de similarite de formes d'onde, ce qui laisse supposer des mecanismes d'activation de la faille differents. La sismicite sur la premiere faille presente des caracteristiques similaires pour la stimulation thermique et hydraulique dans la zone active pendant les deux injections. La bonne connaissance des contextes geologique et operationnel, combinee a l'analyse detaillee, a permis de mieux comprendre les interactions hydromecaniques dans le reservoir et a demontre un changement de l'etat mecanique de la faille entre l'apparition de la sismicite pendant la stimulation thermique et pendant la stimulation hydraulique. Dans le cas de la sismicite induite a Rittershoffen, la relocalisation relative des evenements a fait apparaitre deux segments de faille planaire, dont les orientations et les etendues sont bien confinees. Cependant, il se peut qu'en depit de la relocalisation precise des evenements sismiques induits, les structures associees dans d'autres reservoirs souterrains restent floues car la sismicite forme un nuage spatial assez dense, ce qui rend les caracteristiques individuelles difficiles a detecter. C'est pourquoi, dans la deuxieme partie de ce travail, une nouvelle methode est proposee pour mettre en evidence le reseau de fractures dans les nuages sismiques qui ne forment pas de structures planes apparentes. Avec cette methode, la probabilite d'avoir une fracture a un endroit donne est calculee a partir de la distribution des evenements sismiques et de leurs parametres a la source. Le resultat prend la forme de ce que j'ai appele un reseau de fractures pseudo probabilistes (PPFN). Contrairement a d'autres methodes qui tentent de mettre en evidence les reseaux de fractures dans les nuages sismiques, le PPFN prend en compte non seulement les hypocentres des evenements mais aussi leurs magnitudes et leurs mecanismes au foyer, afin de garder un lien plus etroit avec les proprietes geophysiques des seismes. Le principe de base du PPFN est d'estimer la connectivite entre toute position spatiale dans le nuage sismique et les evenements en se basant sur la distance de chaque evenement, la taille minimale du plan de rupture derivee de la magnitude de l'evenement et l'orientation fournie par le mecanisme au foyer. Le PPFN est teste sur un ensemble de donnees synthetiques, ou il est demontre que la methode est capable de reproduire des plans de rupture places dans un nuage d'evenements repartis de maniere aleatoire. Le PPFN est ensuite applique au nuage sismique induit pendant de la stimulation du puits GPK2, sur le site geothermique profond de Soultz-sous-Forets. Il revele une faille importante dans la partie nord et profonde du nuage sismique, ce qui corrobore les conclusions de precedents travaux, et une structure mineure dans la partie superieure sud, qui pourrait etre une branche de la faille principale. (auteur)

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Original title (English)
Caracterisation de reseaux de fractures dans des systemes geothermiques stimules (EGS) par l'analyse de la sismicite induite

Publishing Information

Imprint Pagination
272 p.
Report number
FRNC-TH--14922

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
54107200
Subject category
S58: GEOSCIENCES;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
EARTHQUAKES; FLUID INJECTION PROCESSES; GEOLOGIC FAULTS; GEOTHERMAL FIELDS; GEOTHERMAL FLUIDS; PROBABILISTIC ESTIMATION; ROCK-FLUID INTERACTIONS; SEISMICITY; SPATIAL DISTRIBUTION; WAVE FORMS; WELL STIMULATION
Descriptors DEC
CALCULATION METHODS; DISTRIBUTION; FLUIDS; GEOLOGIC FRACTURES; GEOLOGIC STRUCTURES; SEISMIC EVENTS; STIMULATION

Optional Information

Notes
[210 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses