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Reservoir characterization of super-hot unconventional geothermal systems, Mexico

Weydt, Leandra M. (2023)
Reservoir characterization of super-hot unconventional geothermal systems, Mexico.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023076
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Super-hot unconventional geothermal systems (> 350 °C) possess enormous potential for geothermal power and heat generation that could be harnessed in the future. Due to their high temperature fluids, they could provide significantly more energy per well than existing conventional wells. However, the development of such systems is challenging and their controlling factors are not fully understood yet. The high temperatures and often aggressive reservoir fluids have led to numerous drilling problems and eventual abandonments of wells in the past. Overcoming these challenges requires a deeper un-derstanding of these reservoirs and the development of innovative exploration and drilling technologies. As part of the GEMex H2020 project, this thesis focuses on the reservoir characterization of super-hot unconventional geothermal systems linked to volcanic settings in Mexico. Two caldera complexes located in the northeastern Trans-Mexican Volcanic Belt, the Acoculco and Los Humeros caldera, were selected as demonstration sites. Sound knowledge of the reservoir units, their properties, and spatial heterogeneities in the subsurface is crucial for the interpretation of geophysical data as well as the parametrization of numerical models, and thus, forms the basis for an economic reservoir as-sessment and management. To improve the geological understanding of the caldera complexes, iden-tify potential reservoirs, and obtain information on the physiochemical and mechanical characteristics of the reservoir rocks, a comprehensive outcrop analogue and wellbore core study was performed. An innovative multi-method approach was used to create a comprehensive rock property database with more than 31000 data entries on 34 petrophysical and mechanical rock parameters, facilitating the application of the data for different disciplines and modeling approaches at different scales (local to super-regional). All relevant key units from the basement to the cap rock of the geothermal fields were characterized and distinct parameter ranges were defined for each unit. The results highlight the geo-logical complexity of volcanic systems, which leads to high variability in rock properties that must be individually considered for each parameter and unit in a 3D reservoir model. Using the Los Humeros caldera as an example, a step-by-step guide for the parametrization of a 3D geothermal model was proposed. Subsequently, processes that affect the rock parameters were investigated. Fluid flow and fluid-rock interactions of the Los Humeros geothermal field are predominantly fracture-controlled and have significantly altered the physiochemical rock properties and their relationships. The investigation of alteration facies indicates that the reservoir rocks were affected by multiple hydrothermal events over time and that the geothermal reservoir is most likely fed by multiple heat sources. A new chemi-cal discrimination approach was proposed for Los Humeros, which helped to relate the subsurface units to the corresponding formations in the outcrops. Based on the new findings, recommendations for the update of the static 3D geological model were defined. Finally, the results of this work were used to create a local density model using gravity data obtained in the central collapse zone of the caldera complex to better characterize the shallow structures of the geothermal reservoir. Different parametrization approaches were tested including assumed average densities, weighted densities and a multimodal density distribution for each model unit, respectively. By using the multimodal density approach the misfit can be significantly reduced allowing for a more pre-cise mapping of the different lithologies in the subsurface. The results highlight the importance of a profound rock property characterization and the correct estimation of the properties at reservoir depth during reservoir characterization.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Weydt, Leandra M.
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Reservoir characterization of super-hot unconventional geothermal systems, Mexico
Sprache: Englisch
Referenten: Sass, Prof. Dr. Ingo ; Liotta, Prof. Dr. Domenico ; Bruhn, Prof. Dr. David ; Bigalke, Prof. Dr. Moritz
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xv, 181, XXVI Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 18 November 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023076
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23076
Kurzbeschreibung (Abstract):

Super-hot unconventional geothermal systems (> 350 °C) possess enormous potential for geothermal power and heat generation that could be harnessed in the future. Due to their high temperature fluids, they could provide significantly more energy per well than existing conventional wells. However, the development of such systems is challenging and their controlling factors are not fully understood yet. The high temperatures and often aggressive reservoir fluids have led to numerous drilling problems and eventual abandonments of wells in the past. Overcoming these challenges requires a deeper un-derstanding of these reservoirs and the development of innovative exploration and drilling technologies. As part of the GEMex H2020 project, this thesis focuses on the reservoir characterization of super-hot unconventional geothermal systems linked to volcanic settings in Mexico. Two caldera complexes located in the northeastern Trans-Mexican Volcanic Belt, the Acoculco and Los Humeros caldera, were selected as demonstration sites. Sound knowledge of the reservoir units, their properties, and spatial heterogeneities in the subsurface is crucial for the interpretation of geophysical data as well as the parametrization of numerical models, and thus, forms the basis for an economic reservoir as-sessment and management. To improve the geological understanding of the caldera complexes, iden-tify potential reservoirs, and obtain information on the physiochemical and mechanical characteristics of the reservoir rocks, a comprehensive outcrop analogue and wellbore core study was performed. An innovative multi-method approach was used to create a comprehensive rock property database with more than 31000 data entries on 34 petrophysical and mechanical rock parameters, facilitating the application of the data for different disciplines and modeling approaches at different scales (local to super-regional). All relevant key units from the basement to the cap rock of the geothermal fields were characterized and distinct parameter ranges were defined for each unit. The results highlight the geo-logical complexity of volcanic systems, which leads to high variability in rock properties that must be individually considered for each parameter and unit in a 3D reservoir model. Using the Los Humeros caldera as an example, a step-by-step guide for the parametrization of a 3D geothermal model was proposed. Subsequently, processes that affect the rock parameters were investigated. Fluid flow and fluid-rock interactions of the Los Humeros geothermal field are predominantly fracture-controlled and have significantly altered the physiochemical rock properties and their relationships. The investigation of alteration facies indicates that the reservoir rocks were affected by multiple hydrothermal events over time and that the geothermal reservoir is most likely fed by multiple heat sources. A new chemi-cal discrimination approach was proposed for Los Humeros, which helped to relate the subsurface units to the corresponding formations in the outcrops. Based on the new findings, recommendations for the update of the static 3D geological model were defined. Finally, the results of this work were used to create a local density model using gravity data obtained in the central collapse zone of the caldera complex to better characterize the shallow structures of the geothermal reservoir. Different parametrization approaches were tested including assumed average densities, weighted densities and a multimodal density distribution for each model unit, respectively. By using the multimodal density approach the misfit can be significantly reduced allowing for a more pre-cise mapping of the different lithologies in the subsurface. The results highlight the importance of a profound rock property characterization and the correct estimation of the properties at reservoir depth during reservoir characterization.

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Sogenannte superheiße unkonventionelle geothermische Systeme (> 350 °C) verfügen über ein enormes Potenzial für die geothermische Strom- und Wärmeerzeugung, welches in Zukunft genutzt werden könnte. Aufgrund ihrer hohen Fluidtemperaturen könnte pro Bohrung deutlich mehr Energie gewonnen werden, als es bei bisher üblichen konventionellen Geothermiebohrungen der Fall ist. Die Entwicklung solcher Systeme birgt jedoch große Herausforderungen und die kontrollierenden Faktoren sind dabei noch nicht vollständig untersucht und verstanden. Die hohen Temperaturen und die oft aggressiven Reservoirfluide haben in der Vergangenheit zu zahlreichen Problemen während des Bohrprozesses und schließlich zur Aufgabe der Geothermiebohrungen geführt. Die Bewältigung dieser Probleme erfordert ein tieferes Verständnis von superheißen Reservoiren und die Entwicklung innovativer Explorations- und Bohrtechnologien. Im Rahmen des GEMex H2020-Projekts befasst sich diese Arbeit mit der Charakterisierung von superheißen, unkonventionellen geothermischen Systemen am Beispiel von Vulkangebieten in Mexiko. Hierfür wurden zwei Caldera-Komplexe im nordöstlichen Trans-Mexikanischen Vulkangürtel, die Acoculco Caldera und die Los Humeros Caldera, ausgewählt. Fundierte Kenntnisse über die Reservoireinheiten, ihrer Gesteinseigenschaften sowie ihrer räumlichen Heterogenität im Untergrund sind entscheidend für die Interpretation geophysikalischer Datensätze sowie für die Parametrisierung numerischer Modelle und bilden somit die Grundlage für eine wirtschaftliche Lagerstättenbewertung und -bewirtschaftung. Um das geologische Verständnis über den Aufbau der beiden Caldera-Komplexe zu verbessern, potenzielle geothermische Reservoire zu identifizieren und Kenntnisse über die chemischen, mineralogischen, petrophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Untergrundformationen zu gewinnen, wurde eine umfassende Aufschlussanalog- und Bohrkernstudie durchgeführt. Basierend auf einem Multi-Methoden-Ansatz wurde daraufhin eine umfassende Gesteinsdatenbank erstellt, die 34 verschiedene petrophysikalische sowie felsmechanische Gesteinsparameter umfasst und mehr als 31000 Dateneinträge beinhaltet. Dabei ermöglicht der Aufbau und Umfang der Datenbank die Anwendung der Daten für verschiedene Disziplinen und Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Skalen (lokal bis überregional). Alle relevanten Reservoireinheiten vom Grundgebirge bis zum Deckgestein der beiden Vulkankomplexe wurden charakterisiert und es konnten somit für jede Einheit eindeutige Parameterbereiche definiert werden. Die Ergebnisse verdeutlichen die geologische Komplexität vulkanischer Systeme, die zu einer hohen Variabilität der Gesteinskennwerte führt und die für jeden Parameter und jede Einheit in einem 3D-Reservoir-Modell individuell berücksichtigt werden sollte. Am Beispiel der Los Humeros Caldera wurde anschließend eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Parametrisierung eines geothermischen 3D-Modells entwickelt. Mit Hilfe der Bohrkernproben wurden zudem Prozesse untersucht, die die Gesteinseigenschaften der Reservoirformationen im Untergrund beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass in Los Humeros der Fluidfluss und die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen überwiegend entlang von Riss- und Störungszonen erfolgte, was die physiochemischen Gesteinseigenschaften der Reservoirformationen und ihre Parameterverhältnisse erheblich verändert hat. Die Untersuchung der Alterationsfazies deutet darauf hin, dass die Reservoirgesteine im Laufe der Zeit durch mehrere Alterationsevents beeinflusst wurden und dass das geothermische Reservoir höchstwahrscheinlich von mehreren lokalen Wärmequellen gespeist wird. Basierend auf chemischen Analysedaten, wurde für Los Humeros ein neues Diskriminierungsverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Gesteinsproben aus dem Reservoir den stratigraphisch äquivalenten Formationen in den Aufschlüssen zugeordnet werden konnten. Auf der Grundlage der neuen Erkenntnisse wurden Empfehlungen für die Aktualisierung des statischen geologischen 3D-Modells von Los Humeros erarbeitet. Mit dem Ziel, Strukturen des oberflächennahen Deckgesteins sowie der Reservoireinheiten des Geothermiefeldes genauer zu charakterisieren, wurden schließlich die Ergebnisse dieser Arbeit genutzt, um ein lokales Dichtemodell der Los Humeros Caldera zu erstellen. Hierfür wurden gravimetrische Daten verwendet, die in der zentralen Kollapszone des Caldera-Komplexes erhoben wurden. Bei der Modellierung wurden verschiedene Parametrisierungsansätze getestet, unter anderem die Verwendung der mittleren Dichte pro Modelleinheit, die Berechnung von gewichteten Dichtewerten sowie die Anwendung einer multimodalen Dichteverteilung. Hierbei zeigte sich, dass die Anwendung einer multimodalen Dichteverteilung den Fehlerwert zwischen den gemessenen Daten im Gelände und den Modellierungsergebnissen deutlich reduziert, was eine präzisere Kartierung der verschiedenen Lithologien im Untergrund ermöglicht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit einer gründlichen Charakterisierung der Reservoireinheiten und ihrer Gesteinseigenschaften sowie der korrekten Abschätzung dieser Eigenschaften unter Reservoirbedingungen während der Reservoircharakterisierung.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-230768
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften > Fachgebiet Angewandte Geothermie
Hinterlegungsdatum: 20 Jan 2023 13:05
Letzte Änderung: 23 Jan 2023 06:46
PPN:
Referenten: Sass, Prof. Dr. Ingo ; Liotta, Prof. Dr. Domenico ; Bruhn, Prof. Dr. David ; Bigalke, Prof. Dr. Moritz
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 November 2022
Export:
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