Original paper

Numerical simulation of geothermal energy production from hydraulic fractures in tight sedimentary rock formations by cyclic-injection-production-schemes

Sulzbacher, Hans; Jung, Reinhard

Abstract

In the geothermal research project GeneSys the Geozentrum Hannover is investigating new methods for exploiting heat from tight sedimentary rocks. Key technology is the waterfrac-technique, by which large artificial fractures are created in these formations. The fractures are used as underground heat exchangers. One of the concepts tested successfully in an abandoned gas well (Horstberg Z1) envisages extracting heat from large rock volumes by cyclic injection/production schemes. Based on the results of these tests a conceptual and numerical model was developed and calibrated. A large number of numerical simulations were performed by using the finite element code ROCKFLOW in order to determine the long-term performance of different versions of this one-well cyclic concept. The results of the numerical simulations show that geothermal energy production by cyclic loading and de-loading of hydraulically induced fractures in low permeable rock is a promising technique for space heating for consumers of medium size, such as hospitals, building complexes etc. with a thermal power consumption of some MWth. The weekly cyclic scheme, being tested already in borehole Horstberg Z1, is technically simple but its long-term thermal performance is only fair. The annual-cyclic-scheme has a much better thermal performance. Its technical implementation however is difficult. The choice between these schemes has to include the specific conditions at the site. The computations of multiple fracture systems showed that they have advantages in terms of pumping power consumption compared to singe-fracture systems.

Kurzfassung

Im geothermischen Forschungsvorhaben GeneSys entwickelt das Geozentrum Hannover innovative Erschließungsmethoden zur Gewinnung von Erdwärme aus gering permeablen Sedimentgesteinen. Schlüsseltechnik ist das Wasserfrac-Verfahren, mit dem große Rissflächen im Reservoirgestein geschaffen werden. Diese dienen als unterirdische Wärmetauscher. Eines dieser Verfahren, das in einer aufgelassenen Gasbohrung (Horstberg Z1) erfolgreich getestet wurde, sieht vor, mittels dieser Wärmeaustauschflächen den Wärmeinhalt riesiger Gesteinsvolumina durch zyklische Injektion und Produktion von Wasser zu erschließen. Anhand der Testbeobachtungen in der Bohrung Horstberg Z1 wurde ein konzeptionelles und numerisches Model entwickelt und mit den Testergebnissen kalibriert. In umfangreichen Rechenläufen mit dem Finite-Elemente-Programm-Code ROCKFLOW wurde das hydraulische und thermische Langzeitverhalten unterschiedlicher Versionen dieses Einbohrloch-Erschließungsverfahrens untersucht. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen belegen, dass das Verfahren für die Wärmeversorgung von Verbrauchern mittlerer Größe, wie Kliniken, Gebäudekomplexe und Industriebetriebe mit einem Heizbedarf von einigen MWth attraktiv ist. Der Betrieb im Wochenzyklus, der in der Bohrung Horstberg Z1 erfolgreich getestet wurde, ist technisch relativ einfach zu realisieren. Das thermische Langzeitverhalten ist jedoch nicht voll befriedigend. Der Betrieb im Jahreszyklus weist ein sehr viel besseres thermisches Langzeitverhalten auf, ist aber wegen des großen zu speichernden Wasservolumens technisch schwer umzusetzen. Die Wahl des optimalen Betriebsmodus ist von den standortspezifischen Gegebenheiten abhängig und kann daher nicht generell getroffen werden. Die numerischen Simulationen von Mehrfach-Riss-Systemen zeigten, dass diese hinsichtlich der aufzubringenden Pumpleistungen Vorteile gegenüber Einzelrissen haben.

Keywords

geothermal energy from tight rockhydraulic fracturecyclic injection/production schemepush-pull conceptnumerical modellingfluid and heat transport in fracturesgenesys project