Geomechanische Lagerstättenmodelle Lagerstättenmodelle – - LIAG
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FKPE, 11. Workshop<br />
Hannover, 6. + 7. Oktober 2011<br />
<strong>Geomechanische</strong><br />
<strong>Lagerstättenmodelle</strong> <strong>–</strong><br />
Methoden und Prognosepotential<br />
Andreas Henk<br />
Institut t für Geowissenschaften <strong>–</strong> Geologie<br />
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
henk@uni-freiburg.de
Überblick<br />
• Praktische Bedeutung von tektonischen<br />
Spannungen und Kluftnetzwerken<br />
• <strong>Geomechanische</strong> <strong>Lagerstättenmodelle</strong><br />
statische ti vs. dynamische Modellierungen<br />
Workflow und Ausgabeparameter<br />
• Beispiel für Spannungsfeldprognose<br />
vertikale Lithologieänderungen<br />
Störungen<br />
• Beispiel für Kluftprognose<br />
Petrel ® Projekt => Finite Element Modell<br />
• Fazit<br />
A. Henk 2
<strong>Geomechanische</strong> <strong>Lagerstättenmodelle</strong> (1)<br />
• Motivation<br />
Werkzeug für die Prognose von tektonischen Spannungen und<br />
Kluftnetzwerken für spezifische Lagerstättenbedingungen<br />
• Dimension<br />
3D im km-Maßstab => räumliche Auflösung 10 er m<br />
Submodelle (100 er m <strong>–</strong> Maßstab) einzelner Störungsblocke noch feiner<br />
• methodischer Ansatz<br />
numerisches Modell => physikalische Basis<br />
• Integration aller relevanten strukturellen Daten<br />
mechanische Gesteinseigenschaften<br />
Orientierung und Magnitude der Hauptnormalspannungen<br />
Klüfte (Orientierung, Typ, Apertur, Kluftdichte, etc.)<br />
tektonische Entwicklung<br />
A. Henk 3
Numerisches Verfahren<br />
• Finite Element Methode (FEM)<br />
inhomogene Materialverteilung in 2D und 3D<br />
komplexe Modellgeometrien und nichtlineare<br />
Materialgesetze möglich<br />
mechanische / thermomechanische<br />
Berechnungen<br />
Definition prä-existierender Störungen<br />
durch Kontaktelemente t => Erweiterung des<br />
klassischen Kontinuumsansatzes<br />
A. Henk 4
Modellierungsansätze<br />
• Statische Modellierungen => Spannungsfeld<br />
rezentes regionales Spannungsfeld<br />
rezente Lagerstättengeometrie<br />
rezentes lokales Spannungsfeld in der Lagerstätte, insb.<br />
Perturbationen im Umfeld von Störungen<br />
Bewegungscharakter des vorhandenen Kluft- und Störungssystems<br />
• Dynamische Modellierungen => Kluftnetzwerke<br />
Paläospannungsfelder<br />
und / oder<br />
Veränderungen in der Lagerstättengeometrie<br />
Bildung des Kluftnetzwerkes<br />
Reaktivierung vs. Neuanlage<br />
Vorwärtsmodellierung<br />
• schrittweise (z.B. aus geometrischen Bilanzierungen)<br />
• kontinuierlich<br />
i A. Henk 5
Allgemeiner Ablauf einer geomech. Modellierung<br />
K A L I B R I E R U N G S D A T E N<br />
Reservoirgeometrie<br />
Störungen und<br />
lithologische Grenzen<br />
EINGABEDATEN<br />
E A E N<br />
Materialparameter<br />
mechanische<br />
Eigenschaften<br />
Randbedingungen<br />
rezente regionale<br />
Spannungsfeld<br />
gemessene Spannungen und Klüfte<br />
lokale Spannungsmessungen (Orientierung, Magnitude)<br />
Kluftdaten aus Kernen und/oder UBI/FMI/FMS Logs<br />
Störungskarten<br />
Tiefenlinienpläne<br />
Petrel ® Projekt<br />
für jede Lithologie<br />
Elastizitätsmodul,<br />
Querdehnungszahl<br />
Kohäsion, interner<br />
Reibungswinkel<br />
für jede Störung<br />
Kohäsion, interner<br />
Reibungswinkel<br />
vertikale Spannung<br />
(lithostatische Auflast)<br />
Orientierung und<br />
Magnitude von σ Hmax<br />
Orientierung und<br />
Magnitude von σ hmin<br />
nein<br />
Modellvalidierung<br />
Befriedigende Übereinstimmung<br />
zwischen Modell<br />
und Realität?<br />
ja<br />
G E O M E C H A N I S C H E S M O D E L L<br />
numerische Simulation mit Finite Element Methoden<br />
Diskretisierung, Zuweisung von Materialparametern<br />
und Randbedingungen, Gleichungslösung<br />
berechnete<br />
Spannungen<br />
und<br />
Klüfte<br />
Transfer zu Petrel ® Project<br />
xyz Koordinaten und Attribute<br />
E R G E B N I S<br />
Orientierung und Magnitude<br />
der Hauptspannungen<br />
slip and dilation tendency<br />
Verformungen<br />
Verschiebungen<br />
A. Henk
Ergebnisse eines geomechanischen Modells<br />
• in Abhängigkeit von der Modellauflösung für jeden<br />
Lagerstättenbereich (ggf. auch zeitliche Entwicklung)<br />
Verschiebungen<br />
Spannungen (3D Spannungstensor)<br />
Deformation<br />
• Berechnungsgröße<br />
Orientierung der Haupt-<br />
spannungen<br />
• Anwendungen<br />
Bohrlochstabilität, oc tät, Frac-<br />
Ausbreitung<br />
Orientierung und Magnitude<br />
der (Paläo-) Hauptspannungen<br />
Spannung und Deformation<br />
Normal- und<br />
Scherspannungen<br />
Klufttyp und <strong>–</strong>orientierung<br />
relative Kluftdichte<br />
„slip and dilation tendency“<br />
=> hydraulische Eigenschaften<br />
A. Henk 7
Spannungsfeldprognose (3)<br />
• lokale Änderungen in Orientierung und Magnitude an Störungen<br />
lokale Wechsel im tektonischen Regime<br />
σ v ≈ σ Hmax > σ hmin (Abschiebungs- vs. Blattverschiebungsregime)<br />
• Beispiel (Detail aus 3D Modell)<br />
Orientierung von σ Hmax<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
Magnitude von σ Hmax<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
[MPa]<br />
A. Henk 8
Spannungsfeldprognose (4)<br />
• lokale Änderungen in Orientierung und Magnitude an Störungen<br />
lokale Wechsel im tektonischen Regime<br />
σ v ≈ σ Hmax > σ hmin (Abschiebungs- vs. Blattverschiebungsregime)<br />
• Beispiel (Detail aus 3D Modell)<br />
Orientierung von σ 1 und σ 2<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
Magnitude von σ Hmax<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
[MPa]<br />
A. Henk 9
Spannungsfeldprognose (5)<br />
• lokale Änderungen in Orientierung und Magnitude an Störungen<br />
lokale Wechsel im tektonischen Regime<br />
σ v ≈ σ Hmax > σ hmin (Abschiebungs- vs. Blattverschiebungsregime)<br />
• Beispiel (Detail aus 3D Modell)<br />
Orientierung von σ 1 und σ 2 / Tektonisches Regime<br />
Magnitude von σ Hmax<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
Aufsicht<br />
1.5 km<br />
[MPa]<br />
Abschiebungsregime<br />
A. Henk 10
Spannungsfeld- und<br />
Kluftprognose<br />
• Eingabedaten<br />
Petrel<br />
® Projekt mit<br />
Störungen und<br />
lithostratigraphischen<br />
Grenzflächen<br />
Materialeigen-<br />
schaften<br />
regionales<br />
Spannungsfeld<br />
(b.c.) c)<br />
• Kalibrierungsdaten<br />
σ Hmax Orientierung<br />
aus Bohrlochrand-<br />
h ausbrüchen<br />
Klüfte aus FMI<br />
Logs<br />
A. Henk
Finite Element Modell<br />
Mächtigkeit 955 m<br />
lithostatische t ti h Auflast<br />
Gravitation<br />
Maragh Fm<br />
(und jünger)<br />
bald high<br />
(Basement)<br />
Oberer Sarir<br />
Sandstein<br />
(Reservoir)<br />
Mittlere Sarir<br />
Fm<br />
(und älter)<br />
A. Henk
Finite Element Modell <strong>–</strong> Reservoir und Störungen<br />
vorhandene<br />
Störungen<br />
bald high<br />
(Basement)<br />
Oberer Sarir<br />
Sandstein<br />
(Reservoir)<br />
Mittlere Sarir<br />
Fm<br />
(und älter)<br />
A. Henk
Spannungsfeldprognose (rezent)<br />
• modellierte vs. gemessene σ Hmax Orientierung<br />
Henk et al. (2010)<br />
A. Henk
Kluftprognose => zwei Systeme<br />
• modellierte vs. gemessene Kluftorientierungen<br />
Henk et al. (2010)<br />
A. Henk
Fazit<br />
• <strong>Geomechanische</strong> <strong>Lagerstättenmodelle</strong><br />
robustes numerisches Werkzeug<br />
Einbeziehung komplexer Lagerstättengeometrien und<br />
Lithologieverteilungen möglich<br />
• lagerstättenspezifische Eingabe- und Kalibierungsdaten<br />
erforderlich<br />
geomechanische h Parameter für Lithologien i und Störungen<br />
in situ Spannungsmessungen<br />
• Prognosepotential<br />
rezentes Spannungsfeld => lokale Perturbationen<br />
Paläospannungsfelder => Kluftnetzwerke<br />
e e<br />
• Nutzen<br />
vielfältige Anwendungen von Bohrlochstabilität bis Flow Simulation<br />
A. Henk 16
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