DYNARDO GmbH, Luthergasse 1d, 99423 Weimar, johannes.will ...

DYNARDO GmbH, Luthergasse 1d, 99423 Weimar, johannes.will@dynardo.de
Mit einem effizienten Simulator für hydraulische Rissbildung bietet Dynardo die
Softwarebasis für die Optimierung der Gasproduktion in undurchlässigen
Gaslagerstätten
Gasproduktion in undurchlässigen Lagerstätten
Ein großer Teil von natürlichen Gas und Öllagerstätten befindet sich in extrem
undurchlässigen Gesteinsschichten. Die größte Gaslagerstätten Nordamerikas, der Barnett
Tonstein in Texas, USA gehört dazu. Für eine wirtschaftliche Förderung der im Felsgestein
festgehaltenen Gas- und Ölvorkommen wird seit vielen Jahren die sogenannte hydraulische
Rissbildung eingesetzt. Dabei wird mittels Wasserdruck in einem größtmögliches Volumen
der Lagerstätte um ein Bohrloch durch Rissbildung die Durchlässigkeit erhöht.
Der Erfolg der hydraulischen Rissbildung kann mit seismischen Messverfahren, die
Rissbildung orten können gemessen werden. Aber dann lässt sich nur noch feststellen wie
erfolgreich das Design des Bohrloches und der hydraulischen Stimulierung ist. Um die Lage
des Bohrlochs und der hydraulischen Stimulierung optimieren zu können muss der Prozess
der hydraulischen Rissbildung in ausreichender Prognosegüte berechnet werden können.
Hierfür gab es bisher keine kommerziellen Softwareprogramme, die die Rissbildung im 3dimensionalen
Gebirgsmodell in geschichteten Lagerstätten im geklüfteten Fels ermitteln
konnten.
Optimierung der Gasproduktion mittels Simulation
Dynardo konnte durch die Kopplung eines leistungsfähigen FEM Programms mit einer
Materialbibliothek der Geotechnik und einer Optimierungssoftware erfolgreich die
hydraulische Rissbildung einer geschichteten Lagerstätte im geklüfteten Fels berechnen.
Entscheidend für ein prognosefähiges Simulationsmodell ist dabei dass die wichtigen
Mechanismen der hydraulischen Rissbildung die zur Ausbildung eines Netzwerkes von
Rissen in der Lagerstätte führen in ausreichender Genauigkeit abgebildet werden können.
Zur Verwendung des Modells zur Optimierung des Bohrlochdesign und des Design der
hydraulischen Stimulierung ist es essentiell, die wichtigen Eingangsparameter welche die
Rissbildung wesentlich bestimmen zu ermitteln sowie die damit verbundenen Mechanismen
zu verstehen und die Ergebnisse des stimulierten Volumen mit Messungen abzugleichen.
Durch den erfolgreichen Abgleich eines Bohrloches mit Messungen konnte ein Simulator für
das Gasreservoir entwickelt werden. Unter Verwendung des kalibrierten Modells kann in der
Folge das Bohrlochdesign und das hydraulische Design weiterer Bohrlöcher mit dem Ziel
einer Maximierung der Gasproduktion optimiert werden.
ANSYS/multiPlas/optiSLang Simulator für die hydraulische Rissbildung
Um den Simulator zur Optimierung realer Bohrlochgeometrien zu verwenden ist eine
parametrische Modellierung im homogenisierten Volumenmodell notwendig und die
Berechnung einer hydraulischen Stimulierung muss extrem effizient sein, denn hundert bis
einige hundert Berechnungen werden für die Validierung, Kalibrierung und Optimierung
notwendig. Zur parametrischen Modellierung sowie zur effizienten Berechnung wurde
ANSYS verwendet. Zweite wichtige Komponente ist Dynardo’s Materialbibliothek für die
Geotechnik (multiPlas), welche die Rissbildung im Fels und im Trennflächensystem im
homogenisierten Volumenmodell berechnet. Die nichtlineare Lastgeschichteberechnung
beginnt mit der Spannungs- und Porenwasserdruck Initialisierung. Um die in situ Spannungen
der verschiedenen Gesteinsschichten aufzubringen, wurden die Schichten einzeln initialisiert
und dann stoffschlüssig verbunden. Die hydraulische Rissbildung wird in der Folge als
Seite 1

DYNARDO GmbH, Luthergasse 1d, 99423 Weimar, johannes.will@dynardo.de
gekoppelte hydraulisch mechanische Berechnung durchgeführt. Die Kopplung erfolgt dabei
über die Strömungskräfte, die sich aus Porenwasserdruckunterschieden der hydraulischen
Berechnung ermittelt werden sowie über die Änderung der Durchlässigkeiten infolge
Rissbildung der mechanischen Berechnung. Die dritte wichtige Softwarekomponente ist
Dynardo’s optiSLang, welches zur Validierung und Kalibrierung des Lagerstättenmodells
sowie zur Optimierung der Gasproduktion eingesetzt wurde.
Anwendungsbeispiel
Der Simulator wurde für ein Reservoir im Barnett Shale entwickelt und an zwei Bohrlöchern
eingesetzt. Für das erste Bohrloch waren neben geologischen Bohrlochaufnahmen auch
Messungen aus Kernproben der gashaltigen Gesteinsschichten sowie angrenzender
Gesteinsschichten vorhanden. Zur Kalibrierung waren Messprotokolle der hydraulischen
Stimulierung und seismische Messungen der Rissausbreitung vorhanden. Das
Lagerstättenmodell wurde mit 7 Schichten geklüfteten Fels modelliert, wobei jede Schicht bis
zu 4 Trennflächenscharen aufwies. Die hydraulische Stimulierung wurde in 5 Abschnitten im
horizontalen Teil des Bohrloches mit insgesamt 100 bis 200 Minuten Dauer durchgeführt.
Die zahlreichen felsmechanischen Eingangswerte wurden aus allen verfügbaren Daten sowie
aus Erfahrungswerten abgeschätzt. Das resultierende parametrische Berechnungsmodell
enthielt insgesamt 200 Parameter aus der felsmechanischen Charakterisierung, der Geometrie
und des hydraulischen Designs. Die Modellvalidierung erfolgte in zwei Schritten. Zuerst
wurden wichtige Parameter der Modellierung (Netzdichte, Zeitschrittweite) sowie der
Kopplung zwischen hydraulischer und mechanischer Berechnung, wie die maximal mögliche
Gebirgsdurchlässigkeit oder die Energiedissipation an der Rissfront untersucht. Danach
wurden alle felsmechanischen Kennwerte, die in situ Druckverhältnisse und das
hydraulischen Design bezüglich Ihrer Sensitivität zur Rissbildung untersucht, die wichtigen
Zusammenhänge wurden validiert sowie der Simulator letztendlich mit den Messungen der
Rissausbreitung kalibriert. Ausgehend vom stimulierten Felsvolumen wurde die
Gasproduktion am kalibrierten Bohrloch und für ein weiteres Bohrloch wo keine Messungen
der Rissausbreitung zur Verfügung standen ermittelt. Die vorhergesagte Gasproduktion beider
Bohrlöcher zeigte eine gute Übereinstimmung mit der tatsächlichen Produktion und war
überraschenderweise wesentlich besser als die geschätzte Gasproduktion aus den Ergebnissen
der seismischen Messungen.
Als letzter Schritt wurde das Optimierungspotential untersucht. Durch Optimierung der
Parameter des Bohrlochs und des hydraulischen Design konnte gezeigt werden, dass eine
Erhöhung des stimulierten Volumen und damit der Gasproduktion von 25% möglich ist.
Weitere Anwendungsgebiete
Das Verfahren der hydraulischen Rissbildung wird neben der Stimulierung von Gas- und
Öllagerstätten auch zur Erhöhung der Durchlässigkeit von Gebirgsschichten für
Erdwärmeprojekte verwendet. Im Gegensatz zur Optimierung der Rissbildung können mit
dem Simulator auch Aufgabenstellungen der Minimierung der Rissbildung wie zum Beispiel
bei der Einlagerung von Gas oder radioaktivem Müll bearbeitet werden. Das wesentliche
physikalische Phänomen der Rissbildung infolge der Änderung der insitu
Spannungsverhältnisse durch Änderungen von Porenwasserdrücken oder thermischer bzw.
mechanischer Lasten ist in allen Anwendungsfällen ähnlich und kann mit den ANSYS
Simulationsmöglichkeiten und der Kopplung mit multiPlas in effizienter Art und Weise
berechnet werden.
Seite 2

DYNARDO GmbH, Luthergasse 1d, 99423 Weimar, johannes.will@dynardo.de
Seismische Ortung der Rissbildung aller 5 Abschnitte
Geologische Bohrlochaufnahme der 7 modellierten Gebirgsschichten
Seite 3

DYNARDO GmbH, Luthergasse 1d, 99423 Weimar, johannes.will@dynardo.de
Analyseflussdiagramm des Simulator für hydraulische Rissbildung
Stimulierter Felskörper nach 193 Minuten hydraulischer Rissbildung (blau Berechnung, rot
seismische Messung)
Seite 4