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Calibration methodology of near-field wellbore stress and strength to predict failure severity in deep geothermal boreholes: From theory to industrial applications
Abstract La viabilité économique des projets de géothermie profonde dépend principalement du débit extrait et son évaluation doit donc être effectuée au cours de l’étude de sa faisabilité. La stabilité des forages compromet parfois le succès économique des premières étapes des EGS (Enhaced Geothermal Systems - Systèmes Géothermiques Stimulés) et doit donc être analysée de manière exhaustive. Un forage stable, qui recoupe autant de zones hydrauliquement transmissibles que possible, est la cible idéale pour un forage réussi. Par exemple, une section transversale d’un forage très irrégulière impliquant des ruptures profondément pénétrantes ou des fractures de traction induites par le forage (DITF) peut empêcher le placement correct des packers utilisés pour une stimulation ciblée des fractures préexistantes. Par conséquent, le principal défi auquel les ingénieurs de forage sont généralement confrontés est la sélection d’une trajectoire optimale du puits qui minimisera les instabilités du forage et maximisera les intersections avec les fractures soumises à des contraintes critiques, car elles sont favorablement orientées pour se rompre et présentent de très bonnes caractéristiques d’écoulement des fluides. Pour les raisons susmentionnées, la connaissance précise de l’état local des contraintes et de la résistance de la roche est cruciale pour le succès de la géothermie profonde.
Les méthodes des pratiques de pointe estiment les contraintes et les propriétés de résistance séparément. Plusieurs approches négligent de prendre en compte l’interaction entre les contraintes et la résistance, une lacune à laquelle cette thèse remédie. En effet, l’interaction entre les contraintes in-situ et les paramètres de résistance de la roche (cohésion et angle de friction) contrôle principalement la stabilité du forage. De plus, il existe toujours une controverse considérable concernant la sélection d’un critère de défaillance approprié et sa paramétrisation pour calculer la défaillance d’un forage. La plupart des études se sont concentrées sur l’estimation des contraintes et de la résistance à partir de la largeur de la rupture, ignorant ainsi d’autres indicateurs de défaillance du forage tels que l’étendue de la rupture, son orientation et la présence/absence de DITFs. Cette thèse vise à combler cette lacune. Une m´méthodologie systématique, générique et nouvelle pour calibrer conjointement les contraintes et la résistance dans la section la moins profonde d’un forage profond et pour prédire la gravité de la défaillance dans la section la plus profonde est présentée. Au-delà du d´développement théorique, des outils pratiques sont fournis afin de faciliter le transfert des connaissances vers la pratique.
La méthodologie de calibration a été testée et développée avec l’ensemble de données complet du forage BS-1 (du projet Basel Deep Heat Mining). Cette m´méthodologie vise à estimer conjointement les profils en profondeur du tenseur de contraintes local (amplitudes et orientations) et les propriétés de résistance de la roche (cohésion et friction). L’accent est mis sur une meilleure compréhension de la relation entre les contraintes et la résistance, sur le traitement de la non-unicité des solutions et sur la prise en compte des tendances en profondeur (caractérisation du premier ordre) et de la variabilité (caractérisation du second ordre) des paramètres clés. La méthode des points pilotes régularisés a été utilisée pour estimer les paramètres du modèle tels qu’ils sont implémentés dans le logiciel PEST (Parameter ESTimation) à partir des caractéristiques de la section transversale du forage (largeur de la rupture, son étendue ou sa profondeur de pénétration et son orientation) et de la présence/absence de DITF (y compris les fractures de traction axiales et en échelon, les A-DITF et les E-DITF). Les résultats montrent la cohérence des modèles de défaillance calibrés au 1er ordre avec les connaissances actuelles des contraintes à Bâle. La réduction des incertitudes paramétriques a également été étudiée en incluant des mesures indépendantes de la contrainte principale horizontale minimale provenant d’essais hydrauliques. Il a été conclu que cela réduit considérablement la plage des paramètres calibrés, ce qui souligne l’importance de collecter de telles données. De plus, cette méthodologie fournit une méthode efficace et efficiente en termes de calcul pour analyser l’étendue de la défaillance, qui est potentiellement le paramètre le plus pertinent pour évaluer l’intégrité de l’étanchéité du packer. Les modèles calibrés du 2d ordre basés sur la technique des points pilotes permettent de reproduire la variabilité observée de la défaillance ainsi que la plupart des maxima/minima de la largeur et de l’étendue de la rupture, en plus des petits intervalles sans rupture, ce qui est essentiel pour évaluer le risque associé au placement des packers. Il fournit également des profils de contraintes et de résistance calibrés conjointement, y compris la magnitude de toutes les composantes de la contrainte, ce qui donne un nouvel aperçu de la source de la variabilité de la contrainte dans la croûte terrestre. Notre ensemble de données unique soutient l’idée que la variabilité des contraintes dans le socle granitique de Bâle provient principalement du glissement des fractures.
Après avoir estimé les contraintes et la résistance dans la section la moins profonde du puits, la prédiction de la gravité de la rupture est nécessaire pour la sélection d’une trajectoire de forage optimale. Une méthodologie stochastique pour effectuer des prédictions tenant compte de l’incertitude des paramètres et de la variabilité en profondeur est proposée dans cette thèse. Dans cette méthodologie, trois éléments sont nécessaires : (1) une trajectoire de forage et une section le long de laquelle la rupture doit être prédite, (2) un modèle de contrainte et de résistances calibré du 1er ordre qui peut être extrapolé à une plus grande profondeur et enfin (3) un modèle de contrainte et de résistance du 2d ordre qui peut être utilisé pour générer une variabilité stochastique et l’ajouter aux prédictions. Une caractéristique clé de la méthodologie de prédiction proposée est la possibilité d’effectuer des prédictions d’une manière stochastique et de tenir compte des d´dépendances existantes entre tous les paramètres clés. Pour valider notre méthodologie, nous avons utilisé le jeu de données BS-1. Les résultats montrent la haute qualité de l’ajustement entre les prédictions et les observations dans la section la plus profonde de BS-1. De plus, les corrélations entre les entrées et les sorties du modèle de rupture ont été reproduites de manière satisfaisante en utilisant des simulations multivariées qui sont basées sur une approche statistique multipoint à échantillonnage direct telle qu’implémentée dans le logiciel DeeSse. Ces résultats illustrent la robustesse, l’exhaustivité et la précision du workflow développé.
L’applicabilité et les limites du workflow proposé ont été testées à l’aide de cas synthétiques couvrant une large gamme de trajectoires de puits, de régimes de contraintes et d’intensité de rupture de puits de forage. En théorie, la capacité de prédire la rupture dans les forages déviés avec des modèles calibrés basés sur les données d’un puits vertical uniquement est limitée car la rupture dans le trou vertical est insensible au rapport entre les contraintes principales horizontales et verticale qui est important pour évaluer la stabilité des puits déviés. Cependant, la méthodologie proposée dans cette thèse prend en compte non seulement les données des ruptures de puits, mais aussi celles des fractures de traction induites par le forage (DITF). De plus, elle tient compte des tendances en profondeur de la contrainte et de la résistance et de leur variabilité en profondeur, ce qui permet d’atténuer ces limitations théoriques. Néanmoins, avec une calibration réalisée uniquement sur une section de forage verticale, les prédictions réalisées pour les sections déviées montrent quelques divergences. Le degré de dispersion des prédictions diffère d’un régime de contraintes à l’autre et dépend principalement du rapport d’anisotropie des contraintes et de la différence entre la sévérité de la rupture dans les sections de calibration et de prédiction. Cette section de la thèse met en ´évidence et quantifie ces limitations, guide l’application correcte du workflow proposé et aide à évaluer l’incertitude et à anticiper les problèmes potentiels de stabilité.
La pertinence de cette thèse réside dans le fait qu’elle améliore notre compréhension théorique de la stabilité des forages et de la sélection de la trajectoire optimale des forages en mettant l’accent sur l’interaction entre les contraintes et la résistance et leur variabilité stochastique en profondeur, jusqu’à présent inexistante. Elle éclaire aussi notre compréhension pratique de l’importance de développer un ensemble d’outils logiciels polyvalents pour définir rapidement la direction optimale du forage à un point spécifique pendant les opérations de forage des puits géothermiques profonds. A cette fin, une interface utilisateur graphique a été développée (‘DGWOW- app’, Deep Geothermal Well Optimization Workflow application) et est présentée dans cette thèse réunissant les méthodologies de calibration et de prédiction développées dans la pratique. En outre, les méthodologies de calibration et de prédiction proposées, telles que mises en œuvre dans l’application DG-WOW, ont été testées sur deux études de cas réels afin d’évaluer leur polyvalence et leur robustesse. A titre d’illustration, les forages CB1 (Bedretto) et GPK3 (Soults-Sous-Foret) ont été utilisés. Les données des deux forages ont été prétraitées, formatées et compilées. Ensuite, des calibrations du premier et second ordre ont été effectuées afin d’estimer les tendances en profondeur des contraintes et de la résistance et de caractériser leur variabilité autour de ces tendances. Les résultats soulignent la cohérence des résultats de la calibration avec la littérature.
La méthodologie proposée et les outils associés appellent à leur application sur un grand nombre de nouveaux projets de géothermie profonde. Cela permettra de les tester et de les améliorer afin qu’ils répondent au mieux aux besoins de l’industrie de la géothermie profonde. En effet, les efforts de recherche déployés dans cette thèse visent également à transférer les connaissances vers des outils logiciels pratiques et utilisables avec pour objectifs ultimes de rendre possible et économique l’extraction de l’énergie géothermique profonde et ainsi contribuer à la transition énergétique.




Abstract
The economic viability of deep geothermal projects depends primarily on the extracted flow rate and thus its evaluation has to be made during its feasibility study stage. Borehole stability compromises sometimes the economic success of early stages of EGSs (Enhanced Geothermal Systems) and must therefore be comprehensively analysed. A stable borehole intersecting as many as possible hydraulically transmissive zones is the ideal target for a successful drilling. For instance, a highly irregular borehole cross-section involving deeply penetrating borehole breakouts or drilling induced tensile fractures (DITFs) may entangle the correct placing of packers used for a targeted stimulation of pre-existing fractures. As a consequence, the main challenge that drilling engineers usually encounter is the selection of an optimal borehole trajectory that will minimise borehole instabilities and maximise intersections with critically stressed fractures as they are favourably oriented to fail and exhibit very good fluid flow characteristics. For the aforementioned reasons, the accurate knowledge of the local state of stress and the rock strength is crucial to the success of deep geothermal projects.
State-of-the-practice methods estimate stresses and strength properties separately. Several approaches neglect to account for the interplay between stress and strength, a shortcoming this thesis addresses. Indeed, the interplay between the in-situ stresses and rock strength parameters (cohesion and friction angle) mainly controls the borehole stability. Additionally, there is still considerable controversy concerning the selection of an appropriate failure criterion and its parametrisation to compute borehole failure and most studies have only focused on estimating stress and strength from breakout width, ignoring as such other relevant borehole failure indicators such as breakout extent, breakout orientation and presence/absence of DITFs. This dissertation aims at filling this gap. A systematic, generic and novel methodology to calibrate jointly wellbore stress and strength in the shallowest section of a deep borehole and to predict failure severity in the deepest is presented. Beyond the theoretical development, practical tools are provided in order to facilitate knowledge transfer to the practice.
The calibration methodology was tested and developed with the extensive data set of the BS- 1 borehole (from the Basel Deep Heat Mining project). The methodology aims at estimating jointly depth profiles of the local stress tensor (magnitudes and orientations) and rock strength properties (cohesion and friction). Emphasis is placed on better understanding the relationship between stress and strength, handling solution non-uniqueness and considering both depth trends (1st order characterization) and variability (2nd order) of key parameters. Regularized pilot points method were used to estimate model parameters as implemented in PEST software (Parameter ESTimation) from borehole cross-sectional characteristics (breakout width, breakout extent/penetration depth and breakout orientation) and from the presence/absence of DITFs (including both axial and en-echelon tensile fractures, A-DITFs and E-DITFs). Results show consistency of the 1st order calibrated failure models with current knowledge of the stress in Basel. The reduction of parametric uncertainties was also investigated by including independent measurements of the minimum horizontal principal stress from hydraulic tests. It was concluded that this reduces drastically the range of calibrated parameters, which highlights the importance of collecting such data. Moreover, this methodology provides an effective and computationally efficient way of analysing extent of failure, which is potentially the most relevant parameter to assess packer sealing integrity. 2nd order calibrated models based on the pilot points technique allows reproducing the observed failure variability as well as most of the maxima/minima of breakout width and extent in addition to the small gaps without breakouts, which is critical to assess risk associated with packer placement. It provides also calibrated joint stress and strength profiles, including magnitude of all the stress components which gives a new insight into the source of stress variability in the earth crust. Our unique data set supports the idea that stress variability in the granitic basement of Basel arises primarily from fracture slip.
After estimating the stress and strength in the shallowest section of the well, prediction of failure severity is necessary for the selection of an optimal drilling trajectory. A stochastic methodology to perform predictions accounting for parameters uncertainty and variability in depth is proposed in this thesis. In this methodology, three elements are needed: (1) a borehole trajectory and section along which failure should be predicted, (2) a 1st order calibrated stress and strength model that can be extrapolated to a greater depth and finally (3) a 2nd order stress and strength model that can be used to generate stochastic variability and add it to the predictions. A key feature of the proposed prediction methodology is the possibility to perform predictions in a stochastic manner and to account for existing dependencies between all the parameters of interest. To validate our methodology, BS-1 data set were used. Results show the accurate goodness of fit between predictions and observations in the deepest section of BS-1. In addition to that, correlations between the failure model inputs and outputs were satisfactorily reproduced by using multivariate simulations that are based on direct sampling multi-point statistical approach as implemented in DeeSse software. These findings illustrate the robustness, completeness and accuracy of the developed workflow.
The applicability and limitation of the proposed workflow has been tested using synthetic cases covering a broad range of well trajectories, stress regimes and wellbore failure severity. In theory, the ability to predict failure in deviated boreholes with calibrated models based on data from a vertical well only is limited because the failure in the vertical hole is insensitive to the ratio between principal horizontal and vertical stresses which is important to assess stability of deviated wells. However, the proposed methodology in this work considers not only the data from borehole breakouts, but also from the drilling induced tensile fractures, DITFs. In addition, it accounts for depth trends of stress and strength and their variability in depth, which allows to mitigate these theoretical limitations. Nevertheless, with calibration performed only on a vertical borehole section, the predictions carried out for deviated section show some divergences. The degree of dispersion of the predictions differ from one stress regime to another and depends mainly on the stress anisotropy ratio and the difference between failure severity in the calibration and prediction sections. This section of the thesis highlights and quantifies these limitations, guides the proper application of the proposed workflow and helps evaluating uncertainty and anticipating potential stability problems.
The significance of this thesis is that it enhances our theoretical understanding of borehole stability and optimal borehole trajectory selection by introducing a focus on the interplay between stress and strength and their stochastic variability in depth hitherto lacking, and informs our practical understanding of the importance of developing a set of versatile supporting software tool to quickly define the optimal borehole direction at a specific point during the drilling operations of deep geothermal wells. To that end, a graphical user interface was developed (’DG-WOW-app’, Deep Geothermal Well Optimization Workflow application) and is presented in this dissertation bringing together the calibration and prediction developed methodologies into practice.
In addition, the proposed calibration and prediction methodologies as implemented in the DGWOW application were tested on two real case studies in order to assess their versatility and robustness. For illustration purposes, the CB1 (Bedretto) and GPK3 (Soults-Sous-Foret) boreholes were used. Data from both boreholes were pre-processed, formatted and compiled. Then 1st and 2nd order calibrations were carried out in order to estimate depth trends of stresses and strength and to characterize their variability around these trends. Results outline the consistency of the calibration outputs with the literature.
The proposed methodology and associated tools call for their application on a wide range of new deep geothermal projects. This will allow them to be tested and improved so that they best meet the needs of the deep geothermal industry. Indeed, the research efforts deployed in this thesis are also aimed at transferring knowledge into practical and usable software tools with the ultimate objectives of making the extraction of deep geothermal energy possible and economical and thus assist with the energy transition.
   
Keywords Rupture du forage; Calibration; Prédiction; Simulation multi-point; Trajectoire optimale du forage; Systèmes Géothermiques Stimulés; Borehole failure; Calibration; Prediction; Uncertainties; Multiple-Point Statistics; Optimal borehole trajectory; Enhanced Geothermal Systems.
   
Citation Dahrabou, A. (2022). Calibration methodology of near-field wellbore stress and strength to predict failure severity in deep geothermal boreholes: From theory to industrial applications. Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thesis (English)
Year 2022
Academic department Centre d'hydrogéologie et de géothermie
University Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degree Doctorat