Testing Scenarios on Geological Models: Local Interface Insertion in a 2D Mesh and its Impact on Seismic Wave Simulation

In this work, we consider a relatively simple case of fluid monitoring in a subsurface gas reservoir. Seismic wave velocities for porous rocks vary depending on fluid saturation, and our objective is to quantitatively evaluate the impact of the water/gas contact depth on elastic wave propagation. To efficiently test different contact depth scenarios and assess their impact on wave propagation, we propose to locally modify a 2D geological model and run time-dependent elastic simulations. The input model is a triangulated surface conforming to geological structures and representing physical properties. The 2D meshed model is locally updated, meaning that only a given region is modified and that the other parts of the mesh remain identical. To create several models by modifying only the reservoir layer, we insert a water/gas contact defined by a level-set at several depths with MMG. During the insertion, specific care is taken to maintain the conformity of the output mesh. As compared to global remeshing, the local modification reduces the cost of recomputing physical properties over the updated mesh. We run the numerical simulations by using Hou10ni2D code, which is based on a Discontinuous Galerkin method. Our results on a gas reservoir show a consistent behavior: we observe a correlation between the depth difference and L2-norm, the larger the distance from the reference depth contact, the higher the L2-norm. This approach could therefore be integrated into an inversion loop to determine the position of the fluid contact and reduce uncertainties in the reservoir model

Insertion d'interfaces dans des géomodèles 3D : des maillages aux simulations numériques

Numerical subsurface models allow to understand the organization of structures and are adapted to simulate physical processes in order to study and predict the physical behavior of the subsurface. The equations describing the physical phenomena are solved using a discretization of space: the mesh. In the course of subsurface modeling projects, one often needs to revise an existing interpretation, integrate new spatial data, and perturb a geomodel to reflect subsurface uncertainty and to ultimately reduce this uncertainty using inversion methods. In this thesis, I developed a mesh-based approach for local updating of meshed geomodels 2D and 3D. Local modifications are performed in a particular region of the model by changing the unstructured meshes of geomodels. In particular, we focused on the insertion of lines and interfaces representing horizons or fractures. During the modifications of the meshes, a particular attention is given to the mesh quality, especially near the intersections between interfaces, in order to maintain a conformal and valid mesh for numerical simulations. In order to compare the impact of local modifications on physical simulations, I present three examples of application of this method: (1) wave propagation for the detection of a fluid contact on a 2D section, (2) the impact evaluation of a 2D fracture network structure on fluid flows in a porous medium, and (3) the impact of structural uncertainties in a 3D reservoir for the injection and ce{CO2} storage. I show that my method of local modifications (1) allows to insert interfaces in 2D and 3D models while keeping the conformity and validity of the meshes for numerical simulations, (2) shows a great flexibility to adapt to simulators of various physical phenomena, and (3) can be used in an inversion process to reduce uncertainties.Les modèles numériques du sous-sol permettent de comprendre l'organisation des structures et sont adaptés pour simuler des processus physiques afin d'étudier et de prédire le comportement physique du sous-sol. Au cours de projets de modélisation du sous-sol, il est souvent utile de modifier une interprétation existante, d'intégrer de nouvelles données spatiales ou de perturber un géomodèle afin de refléter l'incertitude du sous-sol et de réduire cette incertitude à l'aide de méthodes d'inversion. Les équations décrivant les phénomènes physiques sont résolues grâce à une discrétisation de l'espace: le maillage. Dans cette thèse, j'ai développé une méthode de mise à jour locale de géomodèles maillés en 2D et 3D. Les modifications locales sont exécutées dans une région particulière du modèle en travaillant directement sur les maillages non structurés des géomodèles. En particulier, nous nous sommes concentrés sur l'insertion de lignes et d'interfaces représentant des horizons ou des fractures. Au cours des modifications des maillages, une attention particulière est donnée au suivi de la qualité du maillage, notamment au niveau des intersections entre interfaces, afin de conserver un maillage conforme et valide pour la réalisation de simulations numériques. Afin de comparer l'impact des modifications locales sur les simulations physiques, je présente trois exemples d'application de cette méthode: (1) la propagation d'onde pour la détection d'un contact fluide sur une coupe 2D, (2) l'évaluation de l'impact de la structure d'un réseau de fractures 2D sur les écoulements dans un milieu poreux, et (3) l'impact des incertitudes structurales d'un réservoir 3D pour l'injection et le stockage de ce{CO2}. Je montre ainsi que ma méthode de modifications locales (1) permet d'insérer des interfaces dans des modèles 2D et 3D en conservant la conformité et la validité des maillages pour les simulations numériques, (2) montre une grande souplesse pour s'adapter à des simulateurs de phénomènes physiques variés, et (3) peut être utilisée dans un processus d'inversion pour réduire les incertitudes

Insertion d'interfaces dans des géomodèles 3D : des maillages aux simulations numériques

Numerical subsurface models allow to understand the organization of structures and are adapted to simulate physical processes in order to study and predict the physical behavior of the subsurface. The equations describing the physical phenomena are solved using a discretization of space: the mesh. In the course of subsurface modeling projects, one often needs to revise an existing interpretation, integrate new spatial data, and perturb a geomodel to reflect subsurface uncertainty and to ultimately reduce this uncertainty using inversion methods. In this thesis, I developed a mesh-based approach for local updating of meshed geomodels 2D and 3D. Local modifications are performed in a particular region of the model by changing the unstructured meshes of geomodels. In particular, we focused on the insertion of lines and interfaces representing horizons or fractures. During the modifications of the meshes, a particular attention is given to the mesh quality, especially near the intersections between interfaces, in order to maintain a conformal and valid mesh for numerical simulations. In order to compare the impact of local modifications on physical simulations, I present three examples of application of this method: (1) wave propagation for the detection of a fluid contact on a 2D section, (2) the impact evaluation of a 2D fracture network structure on fluid flows in a porous medium, and (3) the impact of structural uncertainties in a 3D reservoir for the injection and ce{CO2} storage. I show that my method of local modifications (1) allows to insert interfaces in 2D and 3D models while keeping the conformity and validity of the meshes for numerical simulations, (2) shows a great flexibility to adapt to simulators of various physical phenomena, and (3) can be used in an inversion process to reduce uncertainties.Les modèles numériques du sous-sol permettent de comprendre l'organisation des structures et sont adaptés pour simuler des processus physiques afin d'étudier et de prédire le comportement physique du sous-sol. Au cours de projets de modélisation du sous-sol, il est souvent utile de modifier une interprétation existante, d'intégrer de nouvelles données spatiales ou de perturber un géomodèle afin de refléter l'incertitude du sous-sol et de réduire cette incertitude à l'aide de méthodes d'inversion. Les équations décrivant les phénomènes physiques sont résolues grâce à une discrétisation de l'espace: le maillage. Dans cette thèse, j'ai développé une méthode de mise à jour locale de géomodèles maillés en 2D et 3D. Les modifications locales sont exécutées dans une région particulière du modèle en travaillant directement sur les maillages non structurés des géomodèles. En particulier, nous nous sommes concentrés sur l'insertion de lignes et d'interfaces représentant des horizons ou des fractures. Au cours des modifications des maillages, une attention particulière est donnée au suivi de la qualité du maillage, notamment au niveau des intersections entre interfaces, afin de conserver un maillage conforme et valide pour la réalisation de simulations numériques. Afin de comparer l'impact des modifications locales sur les simulations physiques, je présente trois exemples d'application de cette méthode: (1) la propagation d'onde pour la détection d'un contact fluide sur une coupe 2D, (2) l'évaluation de l'impact de la structure d'un réseau de fractures 2D sur les écoulements dans un milieu poreux, et (3) l'impact des incertitudes structurales d'un réservoir 3D pour l'injection et le stockage de ce{CO2}. Je montre ainsi que ma méthode de modifications locales (1) permet d'insérer des interfaces dans des modèles 2D et 3D en conservant la conformité et la validité des maillages pour les simulations numériques, (2) montre une grande souplesse pour s'adapter à des simulateurs de phénomènes physiques variés, et (3) peut être utilisée dans un processus d'inversion pour réduire les incertitudes

Interface insertion in 3D geomodels : from meshes to numerical simulations

Les modèles numériques du sous-sol permettent de comprendre l'organisation des structures et sont adaptés pour simuler des processus physiques afin d'étudier et de prédire le comportement physique du sous-sol. Au cours de projets de modélisation du sous-sol, il est souvent utile de modifier une interprétation existante, d'intégrer de nouvelles données spatiales ou de perturber un géomodèle afin de refléter l'incertitude du sous-sol et de réduire cette incertitude à l'aide de méthodes d'inversion. Les équations décrivant les phénomènes physiques sont résolues grâce à une discrétisation de l'espace: le maillage. Dans cette thèse, j'ai développé une méthode de mise à jour locale de géomodèles maillés en 2D et 3D. Les modifications locales sont exécutées dans une région particulière du modèle en travaillant directement sur les maillages non structurés des géomodèles. En particulier, nous nous sommes concentrés sur l'insertion de lignes et d'interfaces représentant des horizons ou des fractures. Au cours des modifications des maillages, une attention particulière est donnée au suivi de la qualité du maillage, notamment au niveau des intersections entre interfaces, afin de conserver un maillage conforme et valide pour la réalisation de simulations numériques. Afin de comparer l'impact des modifications locales sur les simulations physiques, je présente trois exemples d'application de cette méthode: (1) la propagation d'onde pour la détection d'un contact fluide sur une coupe 2D, (2) l'évaluation de l'impact de la structure d'un réseau de fractures 2D sur les écoulements dans un milieu poreux, et (3) l'impact des incertitudes structurales d'un réservoir 3D pour l'injection et le stockage de ce{CO2}. Je montre ainsi que ma méthode de modifications locales (1) permet d'insérer des interfaces dans des modèles 2D et 3D en conservant la conformité et la validité des maillages pour les simulations numériques, (2) montre une grande souplesse pour s'adapter à des simulateurs de phénomènes physiques variés, et (3) peut être utilisée dans un processus d'inversion pour réduire les incertitudes.Numerical subsurface models allow to understand the organization of structures and are adapted to simulate physical processes in order to study and predict the physical behavior of the subsurface. The equations describing the physical phenomena are solved using a discretization of space: the mesh. In the course of subsurface modeling projects, one often needs to revise an existing interpretation, integrate new spatial data, and perturb a geomodel to reflect subsurface uncertainty and to ultimately reduce this uncertainty using inversion methods. In this thesis, I developed a mesh-based approach for local updating of meshed geomodels 2D and 3D. Local modifications are performed in a particular region of the model by changing the unstructured meshes of geomodels. In particular, we focused on the insertion of lines and interfaces representing horizons or fractures. During the modifications of the meshes, a particular attention is given to the mesh quality, especially near the intersections between interfaces, in order to maintain a conformal and valid mesh for numerical simulations. In order to compare the impact of local modifications on physical simulations, I present three examples of application of this method: (1) wave propagation for the detection of a fluid contact on a 2D section, (2) the impact evaluation of a 2D fracture network structure on fluid flows in a porous medium, and (3) the impact of structural uncertainties in a 3D reservoir for the injection and ce{CO2} storage. I show that my method of local modifications (1) allows to insert interfaces in 2D and 3D models while keeping the conformity and validity of the meshes for numerical simulations, (2) shows a great flexibility to adapt to simulators of various physical phenomena, and (3) can be used in an inversion process to reduce uncertainties

Testing scenarios on geological models: local interface insertion in a 2D mesh and its impact on seismic save simulation

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Local 3D meshed geomodel updating: geometry and topology.

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Towards a workflow to evaluate geological layering uncertainty on CO 2 injection simulation

International audienceWe propose a workflow for updating 3D geological meshed models to test different layering scenarios and to assess their impact on the simulation of injection. This workflow operates on a tetrahedral mesh that encodes rock unit information as well as rock physical properties. The alternative layering meshes are built by modifying the input mesh and inserting a new horizon defined by a scalar field. Modifying consistently a 3D meshed model while keeping its quality is a challenge that we tackle using the advanced capabilities of MMG, an open source remeshing library. injection is then simulated with GEOSX, an open-source, multiphysics, and multilevel simulation solver. We demonstrate this workflow for stratigraphic layering uncertainty assessment on a simple synthetic layered reservoir on the flank of a salt diapir. Comparison of simulation results is eased since modifications of the mesh are localized to the area around the inserted horizon. The consistent results highlight the role of stratigraphic unconformities for trap integrity. This work opens a promising path for developing numerical simulation of injection on unstructured meshes by combining advanced coupled flow-geomechanical models in geological domains affected by structural uncertainties

Testing scenarios on geological models: Local interface insertion in a 2D mesh and its impact on seismic wave simulation

International audienceIn this work, we propose a local updating method to test different contact depth scenarios and assess their impact on wave propagation in the subsurface. We propose to locally modify a 2D geological model and run time-dependent elastic simulations. The input model triangulation is conforming to geological structures. The 2D meshed model is locally updated, which means that only the reservoir compartment is modified. Several model geometries are generated by inserting a new interface, in this paper a gas–water contact that is defined by a scalar field. We quantitatively evaluate the impact of the gas–water contact depth on elastic wave propagation. We run the numerical simulations with Hou10ni2D code, which is based on a Discontinuous Galerkin method. The simulation results are compared to a reference depth by computing the L2-norm at a set of seismic receivers. Results show a consistent behavior: we observe a positive correlation between the depth difference and global L2-norm for all receivers. This approach could therefore be integrated into an inversion loop to determine the position of the fluid contact and reduce uncertainties in the reservoir model from a few seismic sensors. The algorithms are available on Github and distributed under a GPL license, allowing reproducibility

Local geological changes and simplicial remeshing for wave propagation

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Tetrahedral Remeshing in the Context of Large-Scale Numerical Simulation and High Performance Computing

The purpose of this article is to discuss several modern aspects of remeshing, which is the task of modifying an ill-shaped tetrahedral mesh with bad size elements so that it features an appropriate density of high-quality elements. After a brief sketch of classical stakes about meshes and local mesh operations, we notably expose (i) how the local size of the elements of a mesh can be adapted to a user-defined prescription (guided, e.g., by an error estimate attached to a numerical simulation), (ii) how a mesh can be deformed to efficiently track the motion of the underlying domain, (iii) how to construct a mesh of an implicitlydefined domain, and (iv) how remeshing procedures can be conducted in a parallel fashion when large-scale applications are targeted. These ideas are illustrated with several applications involving high-performance computing. In particular, we show how mesh adaptation and parallel remeshing strategies make it possible to achieve a high accuracy in large-scale simulations of complex flows, and how the aforementioned methods for meshing implicitly defined surfaces allow to represent faithfully intricate geophysical interfaces, and to account for the dramatic evolutions of shapes featured by shape optimization processes