Investigating the influence of aquifer heterogenei

Authors: Dylan J Irvine Heather A Sheldon Craig T Simmons Adrian D Werner Cedric M Griffiths

Publish Date: 2014/09/18

Volume: 23, Issue: 1, Pages: 161-173

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Abstract

The potential for thermal convection in aquifers is strongly influenced by permeability Permeability is highly heterogeneous within aquifers and spatial distributions of permeability are rarely well constrained by measurements making it difficult to determine the potential for thermal convection in a given aquifer In this study this difficulty is overcome through the use of a stratigraphic forward model SFM The SFM simulates the processes of deposition burial and compaction of the aquifer yielding a geologically plausible permeability field that is conditioned through measured permeabilityporosity relationships The aim of this study is to determine the influence of aquifer heterogeneity on the potential for thermal convection in the Yarragadee Aquifer Western Australia Permeability distributions from the SFM of the Yarragadee Aquifer are analysed through calculation of the thermal Rayleigh number a stability criterion from vertically averaged permeability and numerical hydrothermal simulations with permeability distributions taken from the SFM Results from the numerical simulations demonstrate that thermal convection can occur with the inclusion of geologically informed heterogeneity These findings are supported by Rayleigh number calculations that indicate that convection is most likely to occur on the eastern side of the aquifer where it is thick and has high average permeabilityLe potentiel de convection thermique en aquifères est fortement influencé par la perméabilité La perméabilité est fortement hétérogène dans les aquifères et des distributions spatiales de la perméabilité sont rarement bien contraintes par les mesures rendant difficile de déterminer le potentiel de convection thermique dans un aquifère donné Dans cette étude cette difficulté est surmontée par l’utilisation d’un modèle stratigraphique direct Startigraphic Forward Model SFM Le SFM simule les processus de dépôt recouvrement et compaction de la formation aquifère aboutissant à un champ de perméabilité géologiquement plausible qui est contraint par des rapports de perméabilitéporosité mesurés Le but de cette étude est de déterminer l’influence de l’hétérogénéité de la couche aquifère sur le potentiel de convection thermique dans l’aquifère du Yarragadee en Australie occidentale Les distributions de perméabilité du SFM de l’aquifère du Yarragadee sont analysées à travers le calcul du nombre thermique de Rayleigh un critère de stabilité à partir de la perméabilité moyenne calculée sur la verticale et de simulations hydrothermales numériques avec des distributions de perméabilité prises du SFM Les résultats des simulations numériques démontrent que la convection thermique peut se produire avec l’inclusion d’une hétérogénéité d’origine géologique Ces résultats sont soutenus par les calculs du nombre de Rayleigh qui indiquent que la convection est plus susceptible de se produire du côté oriental de la couche aquifère où elle est épaisse et où la perméabilité moyenne est élevéeEl potencial para la convección térmica en los acuíferos está fuertemente influenciado por la permeabilidad La permeabilidad es altamente heterogénea dentro de los acuíferos y las distribuciones espaciales de permeabilidad están raramente bien determinadas por mediciones lo cual dificulta determinar el potencial para la convección térmico en un acuífero dado En este estudio esta dificultad es superada a través del uso de un modelo estratigráfico directo SFM El SFM simula los procesos de depositación enterramiento y compactación del acuífero brindando un campo de permeabilidad geológicamente verosímil que está condicionado a través de las medidas de las relaciones porosidad – permeabilidad El objetivo de este estudio es determinar la influencia de la heterogeneidad del acuífero sobre el potencial de convección térmica en el Acuífero Yarragadee Australia Occidental Las distribuciones de permeabilidad del SFM del Acuífero Yarragadee son analizadas a través del cálculo de número térmico de Rayleigh un criterio de estabilidad proviniendo de la permeabilidad verticalmente promediada y simulaciones numéricas hidrotermales con distribuciones de permeabilidad tomadas del SFM Los resultados de las simulaciones numéricas demuestran que la convección térmica puede ocurrir con la inclusión de la heterogeneidad geológicamente documentada Estos hallazgos están apoyado por el cálculo del número de Rayleigh que indican que la convección es más probable que ocurra en el lado este del acuífero donde es espeso y tiene una alta permeabilidad promedio摘要含水层中的热自由对流潜力受渗透率的强烈影响。含水层内的渗透率非常不均匀渗透率的空间分布很少和测量结果一致这使得确定某一特定含水层的热对流潜力非常困难。在这项研究中这个难题通过采用地层正演模型得到解决。地层正演模型模拟了含水层的沉积、埋藏和压实过程产生了一个地质上似乎可信的渗透率场这个渗透率场受到测量的渗透率孔隙率关系的制约。本项研究的目的就是确定含水层非均质性对西澳大利亚州Yarragadee含水层中热对流潜力的影响。通过计算垂直上平均渗透率的热瑞利数稳定性判据 和利用从地层正演模型得到的渗透率分布数据进行数值热液模拟对Yarragadee含水层地层正演模型进行了分析。数值模拟结果显示热对流可发生在地质上已知晓的非均质含水层中。这些发现得到了瑞利数计算结果的支持表明对流最可能出现在含水层的东侧那里含水层很厚具有高度平均的渗透率。O potencial de convecção térmica em aquíferos é fortemente influenciado pela permeabilidade A permeabilidade é altamente heterogénea no interior dos aquíferos e distribuições espaciais da permeabilidade raramente são bem definidas através de medições o que torna difícil determinar o potencial para a convecção térmica num determinado aquífero Neste estudo esta dificuldade é superada através da utilização de um modelo estratigráfico sequencial MES O MES simula os processos de deposição enterramento e compactação do aquífero produzindo um campo de permeabilidade geologicamente plausível que é condicionado através de relações permeabilidadeporosidade medidas O objetivo deste estudo é determinar a influência da heterogeneidade aquífera sobre o potencial de convecção térmica no Aquífero Yarragadee Austrália Ocidental Distribuições da permeabilidade obtidas a partir do MES do Aquífero Yarragadee são analisadas através do cálculo do número térmico de Rayleigh um critério de estabilidade a partir da permeabilidade vertical média e a partir de simulações numéricas hidrotermais com distribuições de permeabilidade retiradas do MES Os resultados das simulações numéricas demonstram que a convecção térmica pode ocorrer com a inclusão da heterogeneidade geológica fornecida Estes resultados são apoiados pelos cálculos do número de Rayleigh e indicam que a convecção é de ocorrência mais provável no lado oriental do aquífero onde este é mais espesso e tem permeabilidade média elevadaThis work was supported by 1 the Western Australian Geothermal Centre of Excellence WAGCOE a joint initiative between the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation CSIRO the University of Western Australia and Curtin University and 2 the National Centre for Groundwater Research and Training NCGRT through the Australian Research Council and the National Water Commission We would like to thank Thomas Poulet and Luk Peeters who reviewed an early version of this manuscript as well as Joseph Hughes Robert Maliva Lynn Reid and one anonymous reviewer for their reviews which helped improve the paperMuch of the discussion in this paper is focused on permeability k m2 which is related to hydraulic conductivity K m s−1 by the expression K = kρg/μ where ρ and μ are fluid density and viscosity For hydrothermal simulations which include variable density and viscosity FEFLOW requires K to be entered at a reference temperature The BetaGamma plugin Magri 2009 allows the thermal expansion term to vary with temperature and requires that the reference temperature be set to 0 °C At 0 °C and 1 bar the reference density ρ 0 is 99984 kg/m3 and reference viscosity μ 0 is 0001792 Pa s Wagner et al 2000 Thus the multiplying factor from k to K is ρ 0 g/μ 0 = 5474907 m−1 s−1

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