Modelling hydro-mechanical coupled gas injection in low permeability clay materials

Abstract

(English) This thesis investigates the hydro-mechanical (HM) coupled effects in geological media during gas injection, with a focus on various numerical strategies and modeling approaches. It is important to note that different types of elements and integration methods used in finite element simulations can influence the obtained results. The Heat and Gas Fracking model (HGFRAC), which consists of six different types of benchmark exercises, reveals that quadrilateral elements with bi-linear gradients produce more stable stress fields than linear triangle elements. Additionally, the use of selective integration method in quadrilateral elements enhances computational efficiency by mitigating convergence issues caused by locking effects. Sensitivity analyses were conducted on the fluidity parameter of the clay material, which controls the viscoplastic deformations. Further analysis of the response of quadrilateral elements, using the GTPT axisymmetric model, reveals that the integration method on Gauss points may cause convergence issues. These issues can be resolved by introducing the nodal point integration method, the selective integration method or a combination of both. Next, this thesis presents a comprehensive of three numerical strategies—Standard Finite Element Method (SFEM), SFEM with Selective Integration (SFEM+SI), and Mixed Finite Element Method (MFEM)—for simulating gas injection in clay-based geomaterials. The results indicate that the effective application of SFEM is heavily dependent on a high-precision mesh. Convergence issues may arise when dealing with relatively coarse meshes. Nevertheless, these convergence issues can be effectively mitigated by incorporating either the Selective Integration method or the MFEM formulations. In terms of computational efficiency, it is evident that the SFEM+SI method demonstrates higher efficiency than SFEM and MFEM. However, it is noteworthy that the computed gas flow patterns of SFEM and SFEM+SI can be affected by the alignment of the mesh. With MFEM, displacements and strains are calculated as independent unknowns, enhancing result accuracy and achieving mesh independence. And then, this thesis investigates gas injection processes using a three-dimensional (3D) HM coupled model to enhance understanding of gas transport in low-permeability geological formations. Conducted as part of the DECOVALEX 2023 project, the research focuses on in-situ gas injection tests in Callovo-Oxfordian (COx) clay, a crucial material for nuclear waste storage within the French concept for high-level radioactive waste disposal. The study underscores the limitations of 2D models in capturing the complexities of gas injection processes, highlighting the importance of using 3D models under HM coupled conditions for understanding gas breakthrough pressure and assessing the safety of geological repositories for nuclear waste storage. Various simulation strategies were applied to simulate the gas injection process, including the introduction of an Excavation Damage Zone (EDZ) around the borehole, the application of perfectly plastic contribution to the clay, and the further incorporation of softening behavior to the clay medium. Sensitivity analyses on EDZ permeability, test interval volume, and fracture spacing were also performed, alongside prolonged gas injection simulations, to provide deeper insights into the mechanisms governing gas flow and breakthrough pressure. (Català) Aquesta tesi investiga els efectes acoblats hidro-mecànics (HM) en medis geològics durant la injecció de gas, amb un enfocament en diverses estratègies numèriques i enfocaments de modelització. Cal destacar que els diferents tipus d’elements i mètodes d’integració utilitzats en simulacions amb el mètode dels elements finits poden influir en els resultats obtinguts. El model Heat and Gas Fracking (HGFRAC), que consta de sis tipus diferents d'exercicis de referència, revela que els elements quadrilàters amb gradients bi-lineals produeixen camps de tensió més estables que els elements triangulars lineals. A més, l'ús del mètode d’integració selectiva en elements quadrilàters millora l'eficiència computacional en mitigar els problemes de convergència causats pels efectes de bloqueig. Es van dur a terme anàlisis de sensibilitat sobre el paràmetre de fluïdesa del material argilós, que controla les deformacions viscoplàstiques. Una altra anàlisi de la resposta dels elements quadrilàters, utilitzant el model GTPT axisimètric, mostra que el mètode d’integració en els punts de Gauss pot provocar problemes de convergència. Aquests problemes es poden resoldre introduint el mètode d’integració als punts nodals, el mètode d’integració selectiva o una combinació d’ambdós. A continuació, aquesta tesi presenta una comparació exhaustiva de tres estratègies numèriques: el mètode estàndard dels elements finits (SFEM), SFEM amb integració selectiva (SFEM+SI) i el mètode mixt dels elements finits (MFEM), per simular la injecció de gas en geomaterials basats en argiles. Els resultats indiquen que l'aplicació efectiva del SFEM depèn molt d’un malla d’alta precisió. Poden sorgir problemes de convergència amb malles relativament gruixudes. Tanmateix, aquests problemes de convergència es poden mitigar de manera efectiva incorporant el mètode d'integració selectiva o les formulacions MFEM. En termes d’eficiència computacional, és evident que el mètode SFEM+SI mostra una major eficiència que el SFEM i el MFEM. No obstant això, cal destacar que els patrons de flux de gas calculats amb SFEM i SFEM+SI poden veure’s afectats per l’alineació de la malla. Amb el MFEM, els desplaçaments i les deformacions es calculen com a variables independents, millorant l’exactitud dels resultats i assolint la independència de la malla. Finalment, aquesta tesi investiga els processos d’injecció de gas utilitzant un model acoblat HM tridimensional (3D) per millorar la comprensió del transport de gas en formacions geològiques de baixa permeabilitat. Realitzada com a part del projecte DECOVALEX 2023, la investigació se centra en assajos d’injecció de gas in situ en argila Callovo-Oxfordiana (COx), un material clau per a l’emmagatzematge de residus nuclears dins del concepte francès de disposició de residus d’alta activitat. L’estudi destaca les limitacions dels models 2D per capturar la complexitat dels processos d’injecció de gas, subratllant la importància d’utilitzar models 3D sota condicions acoblades HM per comprendre la pressió de trencament del gas i avaluar la seguretat dels dipòsits geològics per a l’emmagatzematge de residus nuclears. Es van aplicar diverses estratègies de simulació per modelar el procés d’injecció de gas, incloent-hi la introducció d’una zona de dany per excavació (EDZ) al voltant del forat, l’aplicació d’una contribució perfectament plàstica a l’argila i la incorporació de comportaments de suavització al medi argilós. També es van realitzar anàlisis de sensibilitat sobre la permeabilitat de l’EDZ, el volum d’interval de prova i l’espaiat de les fractures, juntament amb simulacions prolongades d’injecció de gas, per obtenir una comprensió més profunda dels mecanismes que governen el flux de gas i la pressió de trencament. (Español) Esta tesis investiga los efectos acoplados hidromecánicos (HM) en medios geológicos durante la inyección de gas, con un enfoque en varias estrategias numéricas y enfoques de modelado. Es importante señalar que los diferentes tipos de elementos y métodos de integración utilizados en simulaciones de elementos finitos pueden influir en los resultados obtenidos. El modelo Heat and Gas Fracking (HGFRAC), que consta de seis tipos diferentes de ejercicios de referencia, revela que los elementos cuadriláteros con gradientes bilineales producen campos de tensión más estables que los elementos triangulares lineales. Además, el uso del método de integración selectiva en elementos cuadriláteros mejora la eficiencia computacional al mitigar los problemas de convergencia causados por los efectos de bloqueo. Se realizaron análisis de sensibilidad sobre el parámetro de fluidez del material arcilloso, que controla las deformaciones viscoplásticas. Un análisis adicional de la respuesta de los elementos cuadriláteros, utilizando el modelo axisimétrico GTPT, revela que el método de integración en puntos de Gauss puede causar problemas de convergencia. Estos problemas se pueden resolver introduciendo el método de integración de puntos nodales, el método de integración selectiva o una combinación de ambos. A continuación, esta tesis presenta una descripción completa de tres estrategias numéricas—método de elementos finitos estándar (SFEM), SFEM con integración selectiva (SFEM+SI) y método de elementos finitos mixtos (MFEM) —para simular la inyección de gas en geomateriales a base de arcilla. Los resultados indican que la aplicación efectiva de SFEM depende en gran medida de una malla de alta precisión. Pueden surgir problemas de convergencia cuando se trabaja con mallas relativamente gruesas. Sin embargo, estos problemas de convergencia se pueden mitigar de manera efectiva incorporando el método de integración selectiva o las formulaciones MFEM. En términos de eficiencia computacional, es evidente que el método SFEM+SI demuestra una mayor eficiencia que SFEM y MFEM. Sin embargo, cabe destacar que los patrones de flujo de gas calculados de SFEM y SFEM+SI pueden verse afectados por la alineación de la malla. Con MFEM, los desplazamientos y las deformaciones se calculan como incógnitas independientes, lo que mejora la precisión de los resultados y logra la independencia de la malla. Además, esta tesis investiga los procesos de inyección de gas utilizando un modelo HM acoplado tridimensional (3D) para mejorar la comprensión del transporte de gas en formaciones geológicas de baja permeabilidad. Realizada como parte del proyecto DECOVALEX 2023, la investigación se centra en pruebas de inyección de gas in situ en arcilla Callovo-Oxfor