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TLS supported volumetric and DFN modeling of a fault zone in the Lower Buntsandstein, SW Germany

Miernik, Georg Josef

German Title: TLS gestützte volumetrische und DFN Modellierung einer Störungszone im Unteren Buntsandstein in SW Deutschland

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Abstract

Fluid flow is governed by primary and secondary porosity of rocks but also by their permeability. Often the values of primary porosities and permeabilities are not sufficient to allow fluids to flow from potential geothermal or hydrocarbon reservoirs. To ensure an efficient productivity, fractured reservoirs come into focus as they might provide an economically viable fluid flow. Subsurface fractured reservoirs are difficult to investigate, outcrop analogues like the one investigated help in a better understanding. The studied outcrop represents a Lower Triassic braided river succession within an arid alluvial plain, affected by the main fault of the western Rhine Graben (southwestern Germany). The research thesis was carried out with the help of terrestrial laser scanning (TLS) to generate a digital outcrop model (DOM), used to digitize data and serve as basis for the subsequent modeling in two steps. These are (i) the volumetric modeling of the investigated fault zone within the Triassic Lower Buntsandstein, and (ii) subsequent modeling of the discrete fracture network (DFN). Volumetric modeling comprises three main points: (i) the application of a fault zone facies concept, (ii) stair-stepped fault gridding, and (iii) splitting the fault zone into two geobodies, well established in structural terminology, the damage zone ‘DZ’ and the fault core ‘FC’. For the subsequent DFN calculations a thorough fracture data parametrization was carried out providing six defined fracture sets, the fracture shape, the log-normal aperture distribution, the log-normal length distribution, the P32 intensity, and fracture truncation percentages at bed boundaries (DZ only). DFN upscaling was then conducted with the “Oda” and “Oda Corrected” methods for the fracture permeability calculations. The resulting volumetric model comprises 13 fault zone facies types. Their distribution within the DZ follows the encountered beds’ morphology. Within the FC three facies distribution cases were modeled. Seven different DFN configurations were calculated, consisting of 162 fracture sets in total. Fracture permeability amounts between 190 and 720 D within the DZ and 14,130 to 55,189 D within the FC, while the fracture porosity shows values of about 0.4 % for the DZ and 2.38 % for the FC. The study shows that volumetric fault zone modeling requires a simultaneous fault facies analysis and grid construction. Because stair-stepped fault grids facilitate a high complexity but lack cell size flexibility, a thoroughly considered choice of the cell size, dependent on the smallest geological objects present, is crucial. Characterization and processing of fracture aperture constitutes the most important part of the parametrization, as different methods can lead to distinct differences in the modeled final fracture permeabilities, spanning multiple orders of magnitude, even for exactly the same values of mechanical aperture. Inclusion of fracture connectivity lowers the resultant horizontal fracture permeability by 26 to 38 %, while truncation of fractures on bed boundaries can overestimate permeability values. Although the FC shows a significantly higher fracture permeability than the DZ it is affected by extreme fracture permeability cutoffs due to the fault cores’ specific architecture, resulting in a conduitbarrier system. Fracture porosities are more insensitive to parameter changes, because of its dependence on the mechanical aperture only. The presented multi-approach thesis highlights the challenges, limitations, and great possibilities of fault zone models, to help in a better understanding of the impact fault zones might have on geothermal and hydrocarbon reservoirs, and thereby support exploration.

Translation of abstract (German)

Fließraten im Gestein werden sowohl von der primären und/oder sekundären Porosität, als auch von der Permeabilität bestimmt. Die Werte der primären Porosität und Permeabilität reichen oftmals nicht aus, um die benötigten Fließraten innerhalb eines potenziellen geothermischen Reservoirs oder einer potentiellen Kohlenwasserstofflagerstätte zu liefern. Um eine effiziente Produktivität sicherzustellen, rücken geklüftete Reservoire in den Fokus, da sie häufig wirtschaftlich verwertbare Fließraten gewährleisten. Da sich jedoch die Untersuchungen der Verhältnisse im Untergrund schwierig gestalten, können Aufschlussanaloga (wie in dieser Studie) zum besseren Verständnis beitragen. Der untersuchte Aufschluss repräsentiert die untertriassische Abfolge eines verflochtenen Flusses innerhalb einer ariden alluvialen Schwemmebene, welche von der westlichen Hauptrandstörung des Rheingrabens (Südwestdeutschland) geschnitten wird. Im Rahmen der präsentierten Arbeit wurde terrestrisches Laserscanning (TLS) eingesetzt um ein digitales Aufschlussanalogmodell zu erstellen. Dieses diente zur Digitalisierung der Daten und wurde darüber hinaus als Basis für die nachfolgenden Modellierungsschritte verwendet. Diese beinhalten: (i) die volumetrische Modellierung der untersuchten Störungszone im Unteren Buntsandstein der germanischen Trias und (ii) eine anschließende diskrete Kluftnetzwerkmodellierung. Die volumetrische Modellierung umfasst drei Hauptpunkte: (i)die Ausarbeitung und Zuordnung einer Störungszonenfazies, (ii) ein „stair-stepped gridding“ der Störungszone, und (iii) die Aufteilung der Störungszone in zwei geologische Körper, welche in der Strukturgeologie als Bruchzone (damage zone, ‘DZ‘) und Störungskern(fault core, ‘FC‘) beschrieben werden. Für die nachfolgenden Berechnungen des Kluftnetzwerks wurde eine umfangreiche Parametrisierung der Kluftdaten durchgeführt. Diese liefert sechs definierte Kluftscharen, die Kluftform, die lognormale Verteilung der Apertur sowie der Kluftlänge, die P32 Intensität, und die prozentualen Anteile der Kluftterminationen an Schichtgrenzen (nur DZ). Um die Kluftpermeabilität zu berechnen, wurde die Hochskalierung der Kluftnetzwerke mit Hilfe der „Oda“ und „Oda Corrected“ Methoden durchgeführt. Das resultierende volumetrische Störungszonenmodell umfasst 13 Faziestypen innerhalb der Störungszone. Ihre Verteilung innerhalb der DZ folgt der angetroffenen Schichtmorphologie. Im Falle des FC wurden drei verschiedene Fälle der Verteilung der Faziestypen modelliert. Es wurden sieben unterschiedliche Konfigurationen von Kluftnetzwerken berechnet, welche insgesamt aus 162 Kluftscharen bestehen. Innerhalb der DZ beträgt die Kluftpermeabilität zwischen 190 und 720 D und 14.130 bis 55.189 D im FC. Die Kluftporosität beträgt etwa 0,4 % in der DZ und 2,38 % im FC. Die Arbeit zeigt, dass im Falle einer volumetrischen Modellierung einer Störungszone die Analyse der Störungsfazies und die Konstruktion des „grids“ simultan ablaufen müssen. „Stair-stepped grids“ weisen eine hohe Komplexität auf, sind jedoch unflexibel bei der Zellengröße. Deshalb ist vor der Erstellung des „grids“ eine gründliche Überlegung im Hinblick auf die gewählte Zellengröße notwendig. Die Größe hängt vom kleinsten zu modellierenden geologischen Objekt ab. Die Charakterisierung und Weiterverarbeitung der Apertur stellt den wichtigsten Teil einer Kluftparametrisierung dar. Verschiedene Methoden führen zu großen Unterschieden bei der final modellierten Kluftpermeabilität. Auch wenn exakt gleiche Werte der mechanischen Apertur verwendet wurden, kann die Kluftpermeabilität Unterschiede von mehreren Größenordnungen aufweisen. Berücksichtigt man die Kluftkonnektivität, so verringert sich die horizontale Kluftpermeabilität um 26 bis 38 %, während eine Klufttermination an Schichtgrenzen zu einer Überbewertung der Kluftpermeabilität führen kann. Obwohl der FC, im Vergleich zur DZ, eine signifikant höhere Kluftpermeabilität aufweist, ist er von extremen Schwankungen der Permeabilität betroffen. Diese sind auf die spezifische Architektur des FC zurückzuführen, weshalb dieser Bereich ein kombiniertes System aus Fließwegen, als auch von Barrieren darstellt. Die Kluftporosität ist im Vergleich zur Kluftpermeabilität relativ unempfindlich gegenüber Parameteränderungen, da sie lediglich von der mechanischen Apertur abhängt. Die präsentierte Arbeit verwendet einen vielschichtigen Ansatz und zeigt die auftretenden Herausforderungen, Grenzen und großen Möglichkeiten der Modellierung von Störungszonen auf. Derartige Modelle tragen dazu bei, den potentiellen Einfluss von Störungszonen auf die geothermische Produktion und Kohlenwasserstofflagerstätten besser abschätzen zu können und damit die Explorationsarbeiten zu unterstützen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Stinnesbeck, Prof. Dr. Wolfgang
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 21 April 2020
Date Deposited: 05 May 2020 08:42
Date: 2020
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
550 Earth sciences
Controlled Keywords: Störungszone, Modellierung, DFN Modellierung, Volumetrische Modellierung, TLS, Terrestrisches Laserscanning, Geothermie, HCE, Buntsandstein, Fazies
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