Modelling of Fault Deformation Induced by Fluid Injection using Hydro-Mechanical Coupled 3D Particle Flow Code: DECOVALEX-2019 Task B

Jeoung Seok Yoon(윤정석),Jian Zhou 한국암반공학회 2020 터널과지하공간 Vol.30 No.4

본 수치해석연구에서는 국제공동연구프로젝트 DECOVALEX2019의 Task B의 일환으로 PFC3D를 기반으로한 수리역학연계모델을 개발하여 스위스 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층의 유체주입으로 인한 슬립시험을 모사하였다. 이를통해, 개발한 PFC3D 수리역학연계모델이 가진 한계점과 향후 보완할 점을 검토하고자 하였다. PFC3D를 기반으로한 3차원 입자결합모델 내 공극-유동통로모델을 생성하였으며 이를 사용하여 Mont Terri Step 2 단층내 유체주입실험을 모사하였다. 모델링결과 단층대를 따라 주입유체의 유동에 의한 단층대의 변형을 확인하였지만, 관측정에서의 시간에 따른 수압변화는 현장측정치와 부분적으로 일치하는 경향을 확인하였다. 현장측정 관측수압은 초기 유체주입 압력증가에 거의 변화를 보이지 않고 주입수압이 최대치에 도달할때쯤 급격한 증가를 보이는반면, 모델링에서는 주입압력이 증가함에 따라 관측수압도 부드럽게 증가하는 경향을 보였다. 이러한 부분적으로 일치하는 결과의 원인으로는 Mont Terri 현장의 단층을 모사하는 방법에 기인하는 것으로 판단하다. PFC3D에서는 단층을 손상대와 코어균열의 조합으로 모사하였고 단층대의 두께가 약 2 m로 주입유체가 단층대를 통해 유동하도록 모사하였기에 현장에서의 주입유체의 단층내 유동보다 그 유동범위가 크게 모사되었다고 판단한다. 또한, 현장단층에서와 같이 단층내부에 존재하는 충진물질로 인해 단층내 수리유동이 제한되어 국부적으로 과잉공급수압이 형성될 수 있는 기재를 모사하지 못한 점 또한 모델링 결과와 현장측정결과가 부분적으로 일치하는 원인일 수 있다. 단층변형의 경우는 모델링결과와 현장측정결과 유사한 수준으로 일치하는 결과를 확인하였다. 수치모델을 변형하여 단층대의 두께를 감소시키고 단층내 충진 물질의 비균질적인분포를 모사할 수 있는 방법론에 대한 후속 연구를 통해 PFC3D 수리역학연계모델의 유체주입으로 인한 단층활성화 연구로의 적용성을 향상시키는 것을 제안하고 한다. This study presents an application of hydro-mechanical coupled Particle Flow Code 3D (PFC3D) to simulation of fluid injection induced fault slip experiment conducted in Mont Terri Switzerland as a part of a task in an international research project DECOVALEX-2019. We also aimed as identifying the current limitations of the modelling method and issues for further development. A fluid flow algorithm was developed and implemented in a 3D pore-pipe network model in a 3D bonded particle assembly using PFC3D v5, and was applied to Mont Terri Step 2 minor fault activation experiment. The simulated results showed that the injected fluid migrates through the permeable fault zone and induces fault deformation, demonstrating a full hydro-mechanical coupled behavior. The simulated results were, however, partially matching with the field measurement. The simulated pressure build-up at the monitoring location showed linear and progressive increase, whereas the field measurement showed an abrupt increase associated with the fault slip We conclude that such difference between the modelling and the field test is due to the structure of the fault in the model which was represented as a combination of damage zone and core fractures. The modelled fault is likely larger in size than the real fault in Mont Terri site. Therefore, the modelled fault allows several path ways of fluid flow from the injection location to the pressure monitoring location, leading to smooth pressure build-up at the monitoring location while the injection pressure increases, and an early start of pressure decay even before the injection pressure reaches the maximum. We also conclude that the clay filling in the real fault could have acted as a fluid barrier which may have resulted in formation of fluid over-pressurization locally in the fault. Unlike the pressure result, the simulated fault deformations were matching with the field measurements. A better way of modelling a heterogeneous clay-filled fault structure with a narrow zone should be studied further to improve the applicability of the modelling method to fluid injection induced fault activation.

지열에너지와 관련한 유럽에서의 연구프로젝트 소개와 유도지진에 관한 GEISER프로젝트의 주요연구결과에 대한 사례연구

윤정석(Jeoung Seok Yoon),다빗 부룬(David Bruhn),아노 짱(Arno Zang) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.6

본 사례연구논문에서는 유럽에서의 지열에너지개발과 관련된 연구프로젝트의 현황에 대한 개괄적인 내용과, 저자가 참여했던 GEISER프로젝트(Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs)와 핵심세부과제인 유도지진(Induced Seismicity)에 관한 연구결과를 요약 정리하였다. 본 사례연구 논문에서 다룬 GEISER프로젝트의 연구결과와 교훈을 통해 수리자극에 의한 지열저류층 개발과 그에 수반되는 유도지진에 따른 문제가 예상되는 향후 지열에너지개발 프로젝트에 도움이 될 수 있기를 기대한다. This article provides an overview on the geothermal energy research in Europe and one of the EU funded projects ‘GEISER (Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs)’ in which the authors were involved. More details are given for description of GEISER, in particular, about aims and discussions and how the project was managed. Emphasis is given to one of the work packages ‘Induced Seismicity and Large Magnitude Events (LME)’ and results of this work package are summarized. This article intends to summarize the lessons learned in the GEISER project and give recommendations to future geothermal projects by creating Enhanced Geothermal Systems hydraulic stimulation where induced seismicity issues are expected to be a major issue and obstacle.

수리자극에 의한 지열저류층에서의 유도지진과 단층대의 변형에 관한 입자기반 개별요소법 모델링 연구

윤정석(Jeoung Seok Yoon),아미르 하킴하쉐미(Amir Hakimhashemi),아노 짱(Arno Zang),귄터 찜머만(Gunter Zimmermann) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.6

본 수치해석논문에서는 절리와 단층대를 포함한 지열저류층에 수리자극을 가할 시 수반되는 유도지진과 단층대의 변형을 개별요소법을 사용하여 모델링하였다. 수채해석기법은 2차원 입자유동코드를 기반으로 하며 수리역학적 상호작용기법과 미소파괴음의 모멘트텐서 역산알고리즘이 결합되었다. 수치해석의 주요결과로는 시공간적으로 변하는 유도지진의 분포와 규모 그리고 단층대의 변형(파괴 및 전단변위)과 주입유체압력의 시공간적 분포와의 상관관계이다. 첫 번째 수치해석으로부터 절리가 분포하는 지열저류층에서의 수리자극에 의한 유도지진의 분포는 주입유체의 점성에 상당한 영향을 받는 것으로 나타났다. 주입유체의 점성이 낮은 경우 (1cP), 유도지진의 발생범위가 큰 것으로 나타났으며, 주입 후 발생하는 유도지진의 개수와 규모 또한 높게 나타났다. 단층대가 존재하는 지열저류층의 수리자극 모델링의 결과, 주입정의 위치가 단층대와 가까운 경우 작은 주입수 압력분포(<0.1 MPa)로도 단층대의 파괴와 전단변형을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서 소개한 수치해석기법은 수리자극을 통한 지열저류층 개발 시 유도지진의 분포와 규모를 실제 유체주입작업 전에 예측할 수 있게 함으로써 지열에너지개발 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다. This numerical study investigates seismicity and fault slip induced by fluid injection in deep geothermal reservoir with pre-existing fractures and fault. Particle Flow Code 2D is used with additionally implemented hydro-mechanical coupled fluid flow algorithm and acoustic emission moment tensor inversion algorithm. The output of the model includes spatio-temporal evolution of induced seismicity (hypocenter locations and magnitudes) and fault deformation (failure and slip) in relation to fluid pressure distribution. The model is applied to a case of fluid injection with constant rates changing in three steps using different fluid characters, i.e. the viscosity, and different injection locations. In fractured reservoir, spatio-temporal distribution of the induced seismicity differs significantly depending on the viscosity of the fracturing fluid. In a fractured reservoir, injection of low viscosity fluid results in larger volume of induced seismicity cloud as the fluid can migrate easily to the reservoir and cause large number and magnitude of induced seismicity in the post-shut-in period. In a faulted reservoir, fault deformation (co-seismic failure and aseismic slip) can occur by a small perturbation of fracturing fluid (<0.1 MPa) can be induced when the injection location is set close to the fault. The presented numerical model technique can practically be used in geothermal industry to predict the induced seismicity pattern and magnitude distribution resulting from hydraulic stimulation of geothermal reservoirs prior to actual injection operation.

Particle Based Discrete Element Modeling of Hydraulic Stimulation of Geothermal Reservoirs, Induced Seismicity and Fault Zone Deformation

윤정석,아미르 하킴하쉐미,아노 짱,귄터 찜머만,Yoon, Jeoung Seok,Hakimhashemi, Amir,Zang, Arno,Zimmermann, Gunter Korean Society for Rock Mechanics 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.6

This numerical study investigates seismicity and fault slip induced by fluid injection in deep geothermal reservoir with pre-existing fractures and fault. Particle Flow Code 2D is used with additionally implemented hydro-mechanical coupled fluid flow algorithm and acoustic emission moment tensor inversion algorithm. The output of the model includes spatio-temporal evolution of induced seismicity (hypocenter locations and magnitudes) and fault deformation (failure and slip) in relation to fluid pressure distribution. The model is applied to a case of fluid injection with constant rates changing in three steps using different fluid characters, i.e. the viscosity, and different injection locations. In fractured reservoir, spatio-temporal distribution of the induced seismicity differs significantly depending on the viscosity of the fracturing fluid. In a fractured reservoir, injection of low viscosity fluid results in larger volume of induced seismicity cloud as the fluid can migrate easily to the reservoir and cause large number and magnitude of induced seismicity in the post-shut-in period. In a faulted reservoir, fault deformation (co-seismic failure and aseismic slip) can occur by a small perturbation of fracturing fluid (<0.1 MPa) can be induced when the injection location is set close to the fault. The presented numerical model technique can practically be used in geothermal industry to predict the induced seismicity pattern and magnitude distribution resulting from hydraulic stimulation of geothermal reservoirs prior to actual injection operation. 본 수치해석논문에서는 절리와 단층대를 포함한 지열저류층에 수리자극을 가할 시 수반되는 유도지진과 단층대의 변형을 개별요소법을 사용하여 모델링하였다. 수채해석기법은 2차원 입자유동코드를 기반으로 하며 수리역학적 상호작용기법과 미소파괴음의 모멘트텐서 역산알고리즘이 결합되었다. 수치해석의 주요결과로는 시공간적으로 변하는 유도지진의 분포와 규모 그리고 단층대의 변형(파괴 및 전단변위)과 주입유체압력의 시공간적 분포와의 상관관계이다. 첫 번째 수치해석으로부터 절리가 분포하는 지열저류층에서의 수리자극에 의한 유도지진의 분포는 주입유체의 점성에 상당한 영향을 받는 것으로 나타났다. 주입유체의 점성이 낮은 경우 (1 cP), 유도지진의 발생범위가 큰 것으로 나타났으며, 주입 후 발생하는 유도지진의 개수와 규모 또한 높게 나타났다. 단층대가 존재하는 지열저류층의 수리자극 모델링의 결과, 주입정의 위치가 단층대와 가까운 경우 작은 주입수 압력분포(<0.1 MPa)로도 단층대의 파괴와 전단변형을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서 소개한 수치해석기법은 수리자극을 통한 지열저류층 개발 시 유도지진의 분포와 규모를 실제 유체주입작업전에 예측할 수 있게 함으로써 지열에너지개발 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

Overview of Geothermal Energy Projects in Europe and the GEISER Project on Induced Seismicity

윤정석,다빗 부룬,아노 짱,Yoon, Jeoung Seok,Bruhn, David,Zang, Arno Korean Society for Rock Mechanics 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.6

본 사례연구논문에서는 유럽에서의 지열에너지개발과 관련된 연구프로젝트의 현황에 대한 개괄적인 내용과, 저자가 참여했던 GEISER프로젝트(Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs)와 핵심세부과제인 유도지진(Induced Seismicity)에 관한 연구결과를 요약 정리하였다. 본 사례연구 논문에서 다룬 GEISER프로젝트의 연구결과와 교훈을 통해 수리자극에 의한 지열저류층 개발과 그에 수반되는 유도지진에 따른 문제가 예상되는 향후 지열에너지개발 프로젝트에 도움이 될 수 있기를 기대한다. This article provides an overview on the geothermal energy research in Europe and one of the EU funded projects 'GEISER (Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs)' in which the authors were involved. More details are given for description of GEISER, in particular, about aims and discussions and how the project was managed. Emphasis is given to one of the work packages 'Induced Seismicity and Large Magnitude Events (LME)' and results of this work package are summarized. This article intends to summarize the lessons learned in the GEISER project and give recommendations to future geothermal projects by creating Enhanced Geothermal Systems hydraulic stimulation where induced seismicity issues are expected to be a major issue and obstacle.

입자기반 개별요소모델을 통한 결정질 암석 내 균열의 역학적 거동 모델링: 국제공동연구 DECOVALEX-2023 Task G(Benchmark Simulation)

박정욱(Jung-Wook Park),박찬희(Chan-Hee Park),윤정석(Jeoung Seok Yoon),이창수(Changsoo Lee) 한국암반공학회 2020 터널과지하공간 Vol.30 No.6

본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 연구 현황과 현재까지 수행된 benchmark 해석 결과를 소개하였다. Task G의 명칭은 ‘Safety ImplicAtions of Fluid Flow, Shear, Thermal and Reaction Processes within Crystalline Rock Fracture NETworks(SAFENET)’로, 결정질 암반 내 균열의 생성과 성장 메커니즘 및 균열에서 발생하는 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. Task G의 첫 번째 연구 테마는 결정질 암석 내 단일 균열의 역학적 거동에 대한 해석해(analytical solution)를 바탕으로 각 연구팀의 수치모델링기법을 개발 및 검증하는 Benchmark 해석이다. 본 연구에서는 3차원 입자기반 개별요소모델을 이용하여 단일 균열을 포함한 암석의 역학적 거동 특성을 모델링하고자 하였다. 이 모델에서는 상호독립적으로 거동하는 개별입자의 집합체를 통해 암석의 구조적 특징을 모사하고, 입자와 입자간 접촉에서 발생하는 역학적 거동을 개별요소해석모델인 3DEC을 통해 계산하게 된다. 해석 결과, 도메인의 경계응력으로 인해 균열에 유도되는 수직응력과 전단응력 수준은 변위 구속과 응력 재배치로 인해 이론적인 수치보다 낮게 나타났다. 그러나 수치모델에서 계산된 수직변위와 전단변위는 실제 균열의 유도 응력을 통해 추정된 해석해와 비교할 때 상당히 유사한 결과를 보였으며 균열의 응력-변위 관계를 합리적으로 재현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 다양한 조건의 실내시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다. This study presents the current status of DECOVALEX-2023 project Task G and our research results so far. Task G, named ‘Safety ImplicAtions of Fluid Flow, Shear, Thermal and Reaction Processes within Crystalline Rock Fracture NETworks (SAFENET)’ aims at developing a numerical method to simulate the fracture creation and propagation, and the coupled thermo-hydro-mechanical processes in fracture in crystalline rocks. The first research step of Task G is a benchmark simulation, which is designed for research teams to make their modelling codes more robust and verify whether the models can represent an analytical solution for displacements of a single rock fracture. We reproduced the mechanical behavior of rock and embedded single fracture using a three-dimensional grain-based distinct element model for the simulations. In this method, the structure of the rock was represented by an assembly of rigid tetrahedral grains moving independently of each other, and the mechanical interactions at the grains and their contacts were calculated using 3DEC. The simulation results revealed that the stresses induced along the embedded fracture in the model were relatively low compared to those calculated by stress analysis due to stress redistribution and constrained fracture displacements. The fracture normal and shear displacements of the numerical model showed good agreement with the analytical solutions. The numerical model will be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated using various experiments in a further study.