Imaging and modeling of hydraulic fractures in crystalline rock via induced seismic activity

Charakterisierung und Modellierung hydraulischer Brüche in Kristallingestein mit Hilfe induzierter Seismizität

  • Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on theEnhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1). An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broad-band seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding. To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3).show moreshow less
  • Hydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mitHydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mit unterschiedlichen Injektionsstrategien durchgeführt. Die detaillierte Auswertung der Bruch-Experimente in dieser Dissertation zielt darauf ab, die Nutzbarkeit von hydraulischen Stimulationen (hydraulic fracturing, HF) in EGS zu untersuchen und das Verständnis von Bruchprozessen sowie der hydromechanischen Beziehung zur induzierten Seismizität zu verbessern. Um die Schallemissionsaktivität (acoustic emissions, AE), die durch 11 piezoelektrische AE-Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet wurde, zu extrahieren und zu charakterisieren, wurde ein halbautomatischer, wellenformbasierter Detektions-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsworkflow entwickelt. Mit Hilfe des resultierenden Katalogs von 20000 AEs wurde das Bruchwachstum detailliert kartiert und charakterisiert. Das Experiment mit der neuartigen, zyklischen Injektionsstrategie (HF3) weist einen geringeren seismischen Fußabdruck auf als die Standard-Injektionsstrategie. HF3 induzierte weniger AEs und eine kleinere Maximalmagnitude. Außerdem hatte das Experiment einen signifikant höheren b-Wert, was einer verringerten Anzahl von großen AEs relativ zur Anzahl der kleineren AEs entspricht. Darüber hinaus zeigte HF3 eine erhöhte Komplexität im Bruchmuster mit mehreren Brüchen bzw. einem Netzwerk von Brüchen. Im Gegensatz dazu entwickelten die Standard-Injektionen einzelne, ebene Bruchzonen (Publikation 1). Zusätzlich zu den induzierten AEs wurden transiente, langperiodische Signale auf den horizontalen Komponenten von zwei Breitband-Seismometern, die wenige Meter von den Brüchen installiert waren, ausgewertet. Diese Signale wurden als Neigungssignale interpretiert und mit modellierten Neigungssignalen verglichen. Der Vergleich zeigt unabhängig, dass hydraulische Brüche geöffnet wurden und bestätigt, dass die AE-basierte Analyse die Bruchgeometrie verlässlich kartieren kann. Die gemeinsame Betrachtung von AEs und Neigungssignalen offenbart verschiedene Phasen des Bruchprozesses: das (wiederholte) Öffnen des Bruches, das Bruchwachstum und das weitere Wachsen des Bruches nach dem Ende der Injektion. Außerdem liefert die Analyse Hinweise auf die Reaktivierung einer natürlichen Bruchzone in einem der Experimente (Publikation 2). Eine neuentwickelte und hier präsentierte Wellenform-Ähnlichkeitsanalyse, die Informationen des gesamten Sensornetzwerkes nutzt und zum ersten Mal auf einen umfangreichen AE-Katalog angewendet wurde, unterstützt diese Interpretation. Um zu validieren, ob die verringerte Seismizität während der zyklischen Injektion auf der Meter-Skala (Bergwerk) auf andere Maßstäbe übertragbar ist, wurden Energie-Budgets für Injektionsexperimente aus zuvor durchgeführten Laborversuchen und aus einem Tiefengeothermie-Projekt berechnet. Über alle drei Skalen hinweg zeigen die zyklischen Injektionen einen verringerten seismischen Fußabdruck mit kleineren Maximalmagnituden, größeren b-Werte und einem kleineren Verhältnis von seismisch-abgestrahlter zu injizierter Energie (Publikation 3).show moreshow less

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Metadaten
Author details:Peter NiemzORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556593
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-55659
Reviewer(s):Torsten DahmORCiDGND, Gerd MantheiORCiD, Volker OyeORCiD
Supervisor(s):Arno Zang, Torsten Dahm
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first publication:2022/07/28
Publication year:2022
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2022/06/09
Release date:2022/07/28
Tag:Bruchausbreitung; Deformation; Grundgestein; Induzierte Seismizität; Injektion; Injektionsschema; Schallemissionen; hydraulisches Aufbrechen; verbesserte geothermische Systeme
acoustic emissions; basement rock; deformation; enhanced geothermal systems (EGS); fracture growth; hydraulic fracturing; induced seismicity; injection; injection scheme
Number of pages:135
RVK - Regensburg classification:UT 1800, ZP 3750
Organizational units:Extern
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
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