(English) This doctoral thesis investigates the causes that induce (micro)seismicity as a result of hydraulic stimulation in fractured low-permeability rock. Understanding such phenomenon is of paramount importance to eventually forecast induced seismicity in geo-energy applications, like Enhanced Geothermal Systems (EGS). The research is driven by both scholarly and engineering considerations, addressing the intricate coupled hydro-mechanical (HM) processes that are at play and aiming to advance in the understanding of the mechanisms underlying co-seismicity during the hydraulic stimulation phase of EGS. The thesis begins with a comprehensive review of existing modeling methodologies of coupled processes in fractured rock. This exploration highlights the significant advancements these methodologies have brought to the foundational understanding of fractures, ultimately improving predictive capabilities related to coupled processes within fractured systems. The subsequent focus of the research involves an investigation into the flow regimes induced by constant flow rate water injection into a fracture surrounded by a low-permeability matrix. The study sheds light on the implications for hydraulic test interpretation and numerical simulations. The findings reveal that even in very low-permeability confining rock matrix, leakage is non-negligible due to the small fracture aperture, which maximizes pressure gradients across the fracture-matrix interface. The transition between flow regimes, often overlooked in field tests, has important implications for accurately estimating fracture transmissivity in injection tests in fractured media and modeling approaches. The thesis then proposes an innovative approach for the implicit representation of fractures surrounded by low-permeability rock matrix. This approach assimilates fractures as equivalent continua, demonstrating that a relatively thick equivalent continuum layer can accurately represent a fracture and reproduce HM behavior. The proposed method is validated through the modeling of a hydraulic stimulation carried out at the Bedretto Underground Laboratory, showcasing its ability to improve the simplicity and efficacy of continuum methods in representing fractures in fractured media. Finally, the research delves into the modeling of a highly-monitored test at the Bedretto Underground Laboratory to investigate the impact of fluid injection on permeability enhancement and induced microseismicity. Three models are examined, with the viscoplastic fracture with dilatancy and strain-weakening approach emerging as the most comprehensive in capturing the spatio-temporal coupled response of fractured rock to hydraulic stimulation. This model proves effective in estimating the extent of the stimulated fracture, permeability enhancement, and its impact on the local state of stress and pore pressure at surrounding fractures, presenting a valuable tool for the design of effective hydraulic stimulation. In summary, this doctoral thesis contributes to the understanding of micro-seismicity induced by EGS operations, offering insights into coupled processes, flow regimes, and innovative modeling approaches, ultimately advancing the field of geothermal energy research and hydraulic stimulation design.
(Catal脿) Aquesta tesi doctoral investiga les causes que indueixen la (micro)sismicitat com a resultat de l'estimulaci贸 hidr脿ulica en roques fracturades de baixa permeabilitat. Comprendre aquest fenomen 茅s de vital import脿ncia per a preveure la sismicitat indu茂da en aplicacions geoenerg茅ticas, com els sistemes geot猫rmics millorats (EGS per les seves sigles en angl猫s). La recerca est脿 impulsada per consideracions tant acad猫miques com ingenieriles, abordant els intricats processos hidromec谩nicos (HM) acoblats que entren en joc i amb l'objectiu d'avan莽ar en la comprensi贸 dels mecanismes subjacents a la cosismicidad durant la fase d'estimulaci贸 hidr脿ulica dels EGS. La tesi comen莽a amb una revisi贸 exhaustiva de les metodologies de modelitzaci贸 existents dels processos acoblats en roques fracturades. Aquesta exploraci贸 posa en relleu els importants avan莽os que aquestes metodologies han aportat a la comprensi贸 fonamental de les fractures, millorant en 煤ltima inst脿ncia les capacitats de predicci贸 relacionades amb els processos acoblats dins dels sistemes fracturats. A continuaci贸, la recerca se centra en els r猫gims de flux indu茂ts per la injecci贸 d'aigua a cabal constant en una fractura envoltada per una matriu de baixa permeabilitat. L'estudi llan莽a llum sobre les implicacions per a la interpretaci贸 d'assajos hidr脿ulics i simulacions num猫riques. Els resultats revelen que, fins i tot en una matriu de roca confinante de molt baixa permeabilitat, les fugides no s贸n menyspreables a causa de la petita obertura de la fractura, que maximitza els gradients de pressi贸 a trav茅s de la interf铆cie fractura-matriu. La transici贸 entre r猫gims de flux, que sovint es passa per alt en els assajos de camp, t茅 importants implicacions per a estimar amb precisi贸 la transmissivitat de la fractura en les proves d'injecci贸 en mitjans fracturats i en els plantejaments de modelitzaci贸. A continuaci贸, la tesi proposa un enfocament innovador per a la representaci贸 impl铆cita de fractures envoltades per una matriu rocosa de baixa permeabilitat. Aquest enfocament assimila les fractures com a mitjans continus equivalents, demostrant que una capa de mig continu equivalent relativament gruixuda pot representar amb precisi贸 una fractura i reproduir el comportament HM. El m猫tode proposat es valguda mitjan莽ant la modelitzaci贸 d'una estimulaci贸 hidr脿ulica duta a terme en el Laboratori Subterrani de Bedretto, mostrant la seva capacitat per a millorar la simplicitat i efic脿cia dels m猫todes continus en la representaci贸 de fractures en mitjans fracturats. Finalment, la recerca aprofundeix en la modelitzaci贸 d'una prova altament monitorada en el Laboratori Subterrani de Bedretto per a investigar l'impacte de la injecci贸 de fluids en l'augment de la permeabilitat i la microsismicitat indu茂da. S'examinen tres models, i el de fractura viscopl谩stica amb dilatancia i afebliment per deformaci贸 resulta ser el m茅s complet per a captar la resposta acoblada espaciotemporal de la roca fracturada a l'estimulaci贸 hidr脿ulica. Aquest model resulta efica莽 per a estimar l'extensi贸 de la fractura estimulada, la millora de la permeabilitat i el seu impacte en l'estat local de tensi贸 i pressi贸 de porus en les fractures circumdants, presentant una valuosa eina per al disseny d'una estimulaci贸 hidr脿ulica efica莽. En resum, aquesta tesi doctoral contribueix a la comprensi贸 de la microsismicitat indu茂da per les operacions EGS, oferint una visi贸 dels processos acoblats, els r猫gims de flux i els enfocaments de modelatge innovadors, avan莽ant en 煤ltima inst脿ncia en el camp de la recerca de l'energia geot猫rmica i el disseny de l'estimulaci贸 hidr脿ulica.
(Espa帽ol) Esta tesis doctoral investiga las causas que inducen la (micro)sismicidad como resultado de la estimulaci贸n hidr谩ulica en rocas fracturadas de baja permeabilidad. Comprender este fen贸meno es de vital importancia para prever la sismicidad inducida en aplicaciones geoenerg茅ticas, como los sistemas geot茅rmicos mejorados (EGS por sus siglas en ingl茅s). La investigaci贸n est谩 impulsada por consideraciones tanto acad茅micas como ingenieriles, abordando los intrincados procesos hidromec谩nicos (HM) acoplados que entran en juego y con el objetivo de avanzar en la comprensi贸n de los mecanismos subyacentes a la cosismicidad durante la fase de estimulaci贸n hidr谩ulica de los EGS. La tesis comienza con una revisi贸n exhaustiva de las metodolog铆as de modelizaci贸n existentes de los procesos acoplados en rocas fracturadas. Esta exploraci贸n pone de relieve los importantes avances que estas metodolog铆as han aportado a la comprensi贸n fundamental de las fracturas, mejorando en 煤ltima instancia las capacidades de predicci贸n relacionadas con los procesos acoplados dentro de los sistemas fracturados. A continuaci贸n, la investigaci贸n se centra en los reg铆menes de flujo inducidos por la inyecci贸n de agua a caudal constante en una fractura rodeada por una matriz de baja permeabilidad. El estudio arroja luz sobre las implicaciones para la interpretaci贸n de ensayos hidr谩ulicos y simulaciones num茅ricas. Los resultados revelan que, incluso en una matriz de roca confinante de muy baja permeabilidad, las fugas no son despreciables debido a la peque帽a abertura de la fractura, que maximiza los gradientes de presi贸n a trav茅s de la interfaz fractura-matriz. La transici贸n entre reg铆menes de flujo, que a menudo se pasa por alto en los ensayos de campo, tiene importantes implicaciones para estimar con precisi贸n la transmisividad de la fractura en las pruebas de inyecci贸n en medios fracturados y en los planteamientos de modelizaci贸n. A continuaci贸n, la tesis propone un enfoque innovador para la representaci贸n impl铆cita de fracturas rodeadas por una matriz rocosa de baja permeabilidad. Este enfoque asimila las fracturas como medios continuos equivalentes, demostrando que una capa de medio continuo equivalente relativamente gruesa puede representar con precisi贸n una fractura y reproducir el comportamiento HM. El m茅todo propuesto se valida mediante la modelizaci贸n de una estimulaci贸n hidr谩ulica llevada a cabo en el Laboratorio Subterr谩neo de Bedretto, mostrando su capacidad para mejorar la simplicidad y eficacia de los m茅todos continuos en la representaci贸n de fracturas en medios fracturados. Por 煤ltimo, la investigaci贸n profundiza en la modelizaci贸n de una prueba altamente monitorizada en el Laboratorio Subterr谩neo de Bedretto para investigar el impacto de la inyecci贸n de fluidos en el aumento de la permeabilidad y la microsismicidad inducida. Se examinan tres modelos, y el de fractura viscopl谩stica con dilatancia y debilitamiento por deformaci贸n resulta ser el m谩s completo para captar la respuesta acoplada espaciotemporal de la roca fracturada a la estimulaci贸n hidr谩ulica. Este modelo resulta eficaz para estimar la extensi贸n de la fractura estimulada, la mejora de la permeabilidad y su impacto en el estado local de tensi贸n y presi贸n de poros en las fracturas circundantes, presentando una valiosa herramienta para el dise帽o de una estimulaci贸n hidr谩ulica eficaz. En resumen, esta tesis doctoral contribuye a la comprensi贸n de la microsismicidad inducida por las operaciones EGS, ofreciendo una visi贸n de los procesos acoplados, los reg铆menes de flujo y los enfoques de modelado innovadores, avanzando en 煤ltima instancia en el campo de la investigaci贸n de la energ铆a geot茅rmica y el dise帽o de la estimulaci贸n hidr谩ulica.
