Ludovic P. Ricard

The potential for convection and implications for geothermal energy in the Perth Basin, Western Australia

Convection of groundwater in aquifers can create areas of anomalously high temperature at shallow depths which could be exploited for geothermal energy. Temperature measurements in the Perth Basin (Western Australia) reveal thermal patterns that are consistent with convection in the Yarragadee Aquifer. This observation is supported by Rayleigh number calculations, which show that convection is possible within the range of aquifer thickness, geothermal gradient, salinity gradient and permeability encountered in the Yarragadee Aquifer, assuming that the aquifer can be treated as a homogeneous anisotropic layer. Numerical simulations of convection in a simplified model of the Yarragadee Aquifer show that: (1) the spacing of convective upwellings can be predicted from aquifer thickness and permeability anisotropy; (2) convective upwellings may be circular or elongate in plan view; (3) convective upwellings create significant temperature enhancements relative to the conductive profile; (4) convective flow rates are similar to regional groundwater flow rates; and (5) convection homogenises salinity within the aquifer. Further work is required to constrain the average horizontal and vertical permeability of the Yarragadee Aquifer, to assess the validity of treating the aquifer as a homogeneous anisotropic layer, and to determine the impact of realistic aquifer geometry and advection on convection.RésuméLa convection des eaux souterraines dans les aquifères peut créer des zones de températures anormalement élevées à faible profondeur qui pourraient être exploitées pour l’énergie géothermique. Les mesures de température dans le bassin de Perth (Australie occidentale) révèlent des caractéristiques thermales cohérentes avec une convection dans l’aquifère de Yarragadee. Cette observation est étayée par des calculs du nombre de Rayleigh, qui montrent que la convection est possible pour l’ordre de grandeur d’épaisseur de l’aquifère, le gradient géothermal, le gradient de salinité, et la perméabilité rencontrées dans l’aquifère de Yarragadee, en supposant que l’aquifère puisse être traité comme une couche homogène et anisotrope. Des simulations numériques de la convection dans un modèle simplifié de l’aquifère de Yarragadee montrent que : (1) l’espacement des flux convectifs ascendants peut être prédit d’après l’épaisseur de l’aquifère et l’anisotropie de la perméabilité; (2) les flux convectifs ascendants peuvent être circulaires ou allongés dans une vue en plan ; (3) les flux convectifs ascendants créent des accroissements de température significatifs par rapport au profil du conduit ; (4) les débits des flux convectifs sont similaires aux débits des écoulements régionaux des eaux souterraines; et (5) la convection homogénéise la salinité dans l’aquifère. D’autres travaux sont nécessaires pour tenir compte de la perméabilité moyenne horizontale et verticale de l’aquifère de Yarragadee, pour juger de la validité d’un traitement de l’aquifère comme couche homogène anisotrope, et pour déterminer l’impact d’une géométrie réaliste de l’aquifère et de l’advection sur la convection.ResumenLa convección del agua subterránea en acuíferos puede crear áreas de temperaturas anómalamente altas en profundidades someras que podrían ser explotadas para energía geotérmica. Las medidas de temperatura en la cuenca de Perth (Australia Occidental) revelaron esquemas termales que son consistentes con la convección en el acuífero Yarragadee. Esta observación está apoyada por cálculos del número de Rayleigh, que muestra que la convección es posible dentro del rango de los espesores del acuífero, gradiente geotérmico, gradiente de salinidad y permeabilidad encontradas en el acuífero Yarragadee, suponiendo que el acuífero puede ser tratado como una capa homogénea anisotrópica. Las simulaciones numéricas de convección en un modelo simplificado del acuífero Yarragadee muestra que: (1) El espaciado de surgencias convectivas puede ser predicho a partir del espesor del acuífero y de la anisotropía de la permeabilidad; (2) Las surgencias convectivas pueden ser circulares o alongados en vista en planta; (3) Las surgencias convectivas crean un acrecentamiento significativo de la temperatura en relación al perfil conductivo; (4) Los ritmos de flujos convectivos son similares a los ritmos de flujo regional del agua subterránea; y (5) La convección homogeiniza la salinidad dentro del acuífero. Se requiere trabajo adicional para restringir la permeabilidad promedio vertical y horizontal del acuífero Yarragadee, para evaluar la validez de tratar al acuífero como una capa anisotrópica homogénea y determinar el impacto de la geometría realística del acuífero y de la advección sobre la convección.摘要含水层中地下水的对流可在浅部造成局部高温异常,并用于开采地热能。澳大利亚西部珀斯盆地的测温量热揭示出与Yarragadee含水层对流相一致的热模式。雷利数的计算支持这一观测结果,并表明在Yarragadee含水层中对流发生在一定含水层厚度、地温梯度、盐分梯度以及渗透系数范围内,假定含水层为均质各向异性的。对Yarragadee含水层简化模型的对流数值模拟表明:(1)对流上涌的间距可通过含水层厚度及渗透性各向异性预测;(2)在平面上对流上涌是可循环或拉长的;(3)相对于传导剖面对流上涌可产生更大的温度增强;(4)对流速度与区域上的地下水流速相似;(5)对流使得含水层盐分均一化。进一步工作需要限制Yarragadee含水层的水平和垂直平均渗透系数,用于评价视含水层为均质各向异性的有效性,确定真实含水层尺度及对流中平流的影响。ResumoA conveção em aquíferos pode criar áreas anormais de alta temperatura a profundidades baixas, as quais podem ser exploradas para energia geotérmica. Medições de temperatura na Bacia de Perth (Austrália Ocidental) mostram padrões térmicos consistentes com conveção no Aquífero Yarragadee. Esta observação é apoiada pelos cálculos do número de Rayleigh, os quais mostram que a conveção é possível dentro da gama de espessuras, gradientes geotérmicos, gradientes de salinidade e permeabilidades encontradas no Aquífero Yarragadee, assumindo que o aquífero pode ser tratado como uma camada anisotrópica homogénea. Um modelo simplificado de simulações numéricas de conveção do Aquífero Yarragadee mostra que: (1) O espaçamento de upwellings convetivos pode ser previsto a partir da espessura do aquífero e da anisotropia da permeabilidade, (2) Upwellings convetivos podem ser circulares ou alongados no plano horizontal, (3) Upwellings convetivos criam condições significativamente melhores na temperatura em relação ao perfil condutivo, (4) As taxas de fluxo convetivas são similares às taxas de fluxo regional da água subterrânea, e (5) A conveção homogeneiza a salinidade dentro do aquífero. Torna-se necessário realizar algum trabalho adicional para restringir os parâmetros da permeabilidade média horizontal e vertical do Aquífero Yarragadee, para avaliar a validade de considerar o aquífero como uma camada anisotrópica homogénea, e para determinar o impacte da geometria real do aquífero e da adveção na conveção.

GeoTemp™ 1.0: A MATLAB-based program for the processing, interpretation and modelling of geological formation temperature measurements

Abstract The evaluation of potential and resources during geothermal exploration requires accurate and consistent temperature characterization and modelling of the sub-surface. Existing interpretation and modelling approaches of 1D temperature measurements are mainly focusing on vertical heat conduction with only few approaches that deals with advective heat transport. Thermal regimes are strongly correlated to rock and fluid properties. Currently, no consensus exists for the identification of the thermal regime and the analysis of such dataset. We developed a new framework allowing the identification of thermal regimes by rock formations, the analysis and modelling of wireline logging and discrete temperature measurements by taking into account the geological, geophysical and petrophysics data. This framework has been implemented in the GeoTemp software package that allows the complete thermal characterization and modelling at the formation scale and that provides a set of standard tools for the processing wireline and discrete temperature data. GeoTemp TM operates via a user friendly graphical interface written in Matlab that allows semi-automatic calculation, display and export of the results. Output results can be exported as Microsoft Excel spreadsheets or vector graphics of publication quality. GeoTemp™ is illustrated here with an example geothermal application from Western Australia and can be used for academic, teaching and professional purposes.

Shallow geothermal regime in the Perth Metropolitan Area

Exploration of Perths geothermal potential has been performed by the Western Australian Geothermal Centre of Excellence (WAGCoE). Detailed vertical temperature and gamma ray logging of 17 Western Australia Department of Waters (DoW) Artesian Monitoring (AM) wells was completed throughout the Perth Metropolitan Area (PMA). In addition, temperature logs from 53 DoW AM wells measured in the 1980s were digitised into LAS format. The logged data are available in the WAGCoE Data Catalogue. Analysis of the gamma ray logs yielded the first estimates of radiogenic heat production in Perth Basin formations. Values by formation ranged between 0.24 and 1.065 μW m−3. The temperature logs provide a picture of true formation temperatures within shallow sediments in the Perth Basin. A three-dimensional model of the temperature distribution was used to produce maps of temperature at depth and on the top of the Yarragadee aquifer. The temperature data were interpreted with a one-dimensional conductive heat model. Significant differences between the model and the observations was indicative of heat moving via non-conductive mechanisms, such as advection or convection. Evidence of non-conductive or advective heat flow is demonstrated in most formations in the region, with significant effects in the aquifers. Average conductive geothermal gradients range from 13°C km−1 to 39°C km−1, with sandstone formations exhibiting average gradients of approximately 25°C km−1, while insulating silt/shale formations show higher average gradients of over 30°C km−1. To produce preliminary heat flow estimates, temperature gradients were combined with thermal conductivities measured elsewhere. The geometric mean heat flow estimates range between 64 mW m−2 to 91 mW m−2, with the standard deviation of the arithmetic mean heat flow ranging between 15 and 23 mW m−2. The study characterises the shallow temperature regime in the Perth Metropolitan Area, which is of direct relevance towards developing commercial geothermal projects.

Impact of faults and compartmentalisation on geological carbon storage estimates in highly faulted basins

Faults have extensively been studied for hydrocarbon exploration and production; however, previous studies on fault behaviour for geological carbon storage have focused on sealing capacity or reactivation potential during injection or post-injection phases. Little is known on the impact of faults for estimating storage capacity in highly faulted basins. A geological conceptual model of a representative compartment was designed to identify the key drivers of storage capacity estimates in highly faulted basins. An uncertainty quantification framework was then designed upon this model to address the impact of geological uncertainties such as fault permeability, reservoir injectivity, compartment geometry and closure on the compartment storage capacity. Pressure-limited storage capacity was estimated from numerical simulation of CO2 injection under the constraints of maximum bottom hole pressure and fault reactivation pressure. Interpretation of the simulation results highlights that (1) two injection regimes are observed: borehole- or fault-controlled, (2) storage capacity can vary more than an order of magnitude, (3) fault and reservoir permeability can be regarded as the most influential properties with respect to storage capacity, (4) compartment geometry mainly influences the injection regime controlling the storage capacity and (5) the large sensitivity of storage capacity to the type of enclosure and fault permeability indicates that pressure build-up at the fault is often the deciding factor for CO2 storage capacity.

The potential for convection and implications for geothermal energy in the Perth Basin, Western Australia | Le potentiel de convection et ses implications pour l'énergie géothermique dans le bassin de Perth, Australie occidentale

Convection of groundwater in aquifers can create areas of anomalously high temperature at shallow depths which could be exploited for geothermal energy. Temperature measurements in the Perth Basin (Western Australia) reveal thermal patterns that are consistent with convection in the Yarragadee Aquifer. This observation is supported by Rayleigh number calculations, which show that convection is possible within the range of aquifer thickness, geothermal gradient, salinity gradient and permeability encountered in the Yarragadee Aquifer, assuming that the aquifer can be treated as a homogeneous anisotropic layer. Numerical simulations of convection in a simplified model of the Yarragadee Aquifer show that: (1) the spacing of convective upwellings can be predicted from aquifer thickness and permeability anisotropy; (2) convective upwellings may be circular or elongate in plan view; (3) convective upwellings create significant temperature enhancements relative to the conductive profile; (4) convective flow rates are similar to regional groundwater flow rates; and (5) convection homogenises salinity within the aquifer. Further work is required to constrain the average horizontal and vertical permeability of the Yarragadee Aquifer, to assess the validity of treating the aquifer as a homogeneous anisotropic layer, and to determine the impact of realistic aquifer geometry and advection on convection.RésuméLa convection des eaux souterraines dans les aquifères peut créer des zones de températures anormalement élevées à faible profondeur qui pourraient être exploitées pour l’énergie géothermique. Les mesures de température dans le bassin de Perth (Australie occidentale) révèlent des caractéristiques thermales cohérentes avec une convection dans l’aquifère de Yarragadee. Cette observation est étayée par des calculs du nombre de Rayleigh, qui montrent que la convection est possible pour l’ordre de grandeur d’épaisseur de l’aquifère, le gradient géothermal, le gradient de salinité, et la perméabilité rencontrées dans l’aquifère de Yarragadee, en supposant que l’aquifère puisse être traité comme une couche homogène et anisotrope. Des simulations numériques de la convection dans un modèle simplifié de l’aquifère de Yarragadee montrent que : (1) l’espacement des flux convectifs ascendants peut être prédit d’après l’épaisseur de l’aquifère et l’anisotropie de la perméabilité; (2) les flux convectifs ascendants peuvent être circulaires ou allongés dans une vue en plan ; (3) les flux convectifs ascendants créent des accroissements de température significatifs par rapport au profil du conduit ; (4) les débits des flux convectifs sont similaires aux débits des écoulements régionaux des eaux souterraines; et (5) la convection homogénéise la salinité dans l’aquifère. D’autres travaux sont nécessaires pour tenir compte de la perméabilité moyenne horizontale et verticale de l’aquifère de Yarragadee, pour juger de la validité d’un traitement de l’aquifère comme couche homogène anisotrope, et pour déterminer l’impact d’une géométrie réaliste de l’aquifère et de l’advection sur la convection.ResumenLa convección del agua subterránea en acuíferos puede crear áreas de temperaturas anómalamente altas en profundidades someras que podrían ser explotadas para energía geotérmica. Las medidas de temperatura en la cuenca de Perth (Australia Occidental) revelaron esquemas termales que son consistentes con la convección en el acuífero Yarragadee. Esta observación está apoyada por cálculos del número de Rayleigh, que muestra que la convección es posible dentro del rango de los espesores del acuífero, gradiente geotérmico, gradiente de salinidad y permeabilidad encontradas en el acuífero Yarragadee, suponiendo que el acuífero puede ser tratado como una capa homogénea anisotrópica. Las simulaciones numéricas de convección en un modelo simplificado del acuífero Yarragadee muestra que: (1) El espaciado de surgencias convectivas puede ser predicho a partir del espesor del acuífero y de la anisotropía de la permeabilidad; (2) Las surgencias convectivas pueden ser circulares o alongados en vista en planta; (3) Las surgencias convectivas crean un acrecentamiento significativo de la temperatura en relación al perfil conductivo; (4) Los ritmos de flujos convectivos son similares a los ritmos de flujo regional del agua subterránea; y (5) La convección homogeiniza la salinidad dentro del acuífero. Se requiere trabajo adicional para restringir la permeabilidad promedio vertical y horizontal del acuífero Yarragadee, para evaluar la validez de tratar al acuífero como una capa anisotrópica homogénea y determinar el impacto de la geometría realística del acuífero y de la advección sobre la convección.摘要含水层中地下水的对流可在浅部造成局部高温异常,并用于开采地热能。澳大利亚西部珀斯盆地的测温量热揭示出与Yarragadee含水层对流相一致的热模式。雷利数的计算支持这一观测结果,并表明在Yarragadee含水层中对流发生在一定含水层厚度、地温梯度、盐分梯度以及渗透系数范围内,假定含水层为均质各向异性的。对Yarragadee含水层简化模型的对流数值模拟表明:(1)对流上涌的间距可通过含水层厚度及渗透性各向异性预测;(2)在平面上对流上涌是可循环或拉长的;(3)相对于传导剖面对流上涌可产生更大的温度增强;(4)对流速度与区域上的地下水流速相似;(5)对流使得含水层盐分均一化。进一步工作需要限制Yarragadee含水层的水平和垂直平均渗透系数,用于评价视含水层为均质各向异性的有效性,确定真实含水层尺度及对流中平流的影响。ResumoA conveção em aquíferos pode criar áreas anormais de alta temperatura a profundidades baixas, as quais podem ser exploradas para energia geotérmica. Medições de temperatura na Bacia de Perth (Austrália Ocidental) mostram padrões térmicos consistentes com conveção no Aquífero Yarragadee. Esta observação é apoiada pelos cálculos do número de Rayleigh, os quais mostram que a conveção é possível dentro da gama de espessuras, gradientes geotérmicos, gradientes de salinidade e permeabilidades encontradas no Aquífero Yarragadee, assumindo que o aquífero pode ser tratado como uma camada anisotrópica homogénea. Um modelo simplificado de simulações numéricas de conveção do Aquífero Yarragadee mostra que: (1) O espaçamento de upwellings convetivos pode ser previsto a partir da espessura do aquífero e da anisotropia da permeabilidade, (2) Upwellings convetivos podem ser circulares ou alongados no plano horizontal, (3) Upwellings convetivos criam condições significativamente melhores na temperatura em relação ao perfil condutivo, (4) As taxas de fluxo convetivas são similares às taxas de fluxo regional da água subterrânea, e (5) A conveção homogeneiza a salinidade dentro do aquífero. Torna-se necessário realizar algum trabalho adicional para restringir os parâmetros da permeabilidade média horizontal e vertical do Aquífero Yarragadee, para avaliar a validade de considerar o aquífero como uma camada anisotrópica homogénea, e para determinar o impacte da geometria real do aquífero e da adveção na conveção.

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Convection of groundwater in aquifers can create areas of anomalously high temperature at shallow depths which could be exploited for geothermal energy. Temperature measurements in the Perth Basin (Western Australia) reveal thermal patterns that are consistent with convection in the Yarragadee Aquifer. This observation is supported by Rayleigh number calculations, which show that convection is possible within the range of aquifer thickness, geothermal gradient, salinity gradient and permeability encountered in the Yarragadee Aquifer, assuming that the aquifer can be treated as a homogeneous anisotropic layer. Numerical simulations of convection in a simplified model of the Yarragadee Aquifer show that: (1) the spacing of convective upwellings can be predicted from aquifer thickness and permeability anisotropy; (2) convective upwellings may be circular or elongate in plan view; (3) convective upwellings create significant temperature enhancements relative to the conductive profile; (4) convective flow rates are similar to regional groundwater flow rates; and (5) convection homogenises salinity within the aquifer. Further work is required to constrain the average horizontal and vertical permeability of the Yarragadee Aquifer, to assess the validity of treating the aquifer as a homogeneous anisotropic layer, and to determine the impact of realistic aquifer geometry and advection on convection.RésuméLa convection des eaux souterraines dans les aquifères peut créer des zones de températures anormalement élevées à faible profondeur qui pourraient être exploitées pour l’énergie géothermique. Les mesures de température dans le bassin de Perth (Australie occidentale) révèlent des caractéristiques thermales cohérentes avec une convection dans l’aquifère de Yarragadee. Cette observation est étayée par des calculs du nombre de Rayleigh, qui montrent que la convection est possible pour l’ordre de grandeur d’épaisseur de l’aquifère, le gradient géothermal, le gradient de salinité, et la perméabilité rencontrées dans l’aquifère de Yarragadee, en supposant que l’aquifère puisse être traité comme une couche homogène et anisotrope. Des simulations numériques de la convection dans un modèle simplifié de l’aquifère de Yarragadee montrent que : (1) l’espacement des flux convectifs ascendants peut être prédit d’après l’épaisseur de l’aquifère et l’anisotropie de la perméabilité; (2) les flux convectifs ascendants peuvent être circulaires ou allongés dans une vue en plan ; (3) les flux convectifs ascendants créent des accroissements de température significatifs par rapport au profil du conduit ; (4) les débits des flux convectifs sont similaires aux débits des écoulements régionaux des eaux souterraines; et (5) la convection homogénéise la salinité dans l’aquifère. D’autres travaux sont nécessaires pour tenir compte de la perméabilité moyenne horizontale et verticale de l’aquifère de Yarragadee, pour juger de la validité d’un traitement de l’aquifère comme couche homogène anisotrope, et pour déterminer l’impact d’une géométrie réaliste de l’aquifère et de l’advection sur la convection.ResumenLa convección del agua subterránea en acuíferos puede crear áreas de temperaturas anómalamente altas en profundidades someras que podrían ser explotadas para energía geotérmica. Las medidas de temperatura en la cuenca de Perth (Australia Occidental) revelaron esquemas termales que son consistentes con la convección en el acuífero Yarragadee. Esta observación está apoyada por cálculos del número de Rayleigh, que muestra que la convección es posible dentro del rango de los espesores del acuífero, gradiente geotérmico, gradiente de salinidad y permeabilidad encontradas en el acuífero Yarragadee, suponiendo que el acuífero puede ser tratado como una capa homogénea anisotrópica. Las simulaciones numéricas de convección en un modelo simplificado del acuífero Yarragadee muestra que: (1) El espaciado de surgencias convectivas puede ser predicho a partir del espesor del acuífero y de la anisotropía de la permeabilidad; (2) Las surgencias convectivas pueden ser circulares o alongados en vista en planta; (3) Las surgencias convectivas crean un acrecentamiento significativo de la temperatura en relación al perfil conductivo; (4) Los ritmos de flujos convectivos son similares a los ritmos de flujo regional del agua subterránea; y (5) La convección homogeiniza la salinidad dentro del acuífero. Se requiere trabajo adicional para restringir la permeabilidad promedio vertical y horizontal del acuífero Yarragadee, para evaluar la validez de tratar al acuífero como una capa anisotrópica homogénea y determinar el impacto de la geometría realística del acuífero y de la advección sobre la convección.摘要含水层中地下水的对流可在浅部造成局部高温异常,并用于开采地热能。澳大利亚西部珀斯盆地的测温量热揭示出与Yarragadee含水层对流相一致的热模式。雷利数的计算支持这一观测结果,并表明在Yarragadee含水层中对流发生在一定含水层厚度、地温梯度、盐分梯度以及渗透系数范围内,假定含水层为均质各向异性的。对Yarragadee含水层简化模型的对流数值模拟表明:(1)对流上涌的间距可通过含水层厚度及渗透性各向异性预测;(2)在平面上对流上涌是可循环或拉长的;(3)相对于传导剖面对流上涌可产生更大的温度增强;(4)对流速度与区域上的地下水流速相似;(5)对流使得含水层盐分均一化。进一步工作需要限制Yarragadee含水层的水平和垂直平均渗透系数,用于评价视含水层为均质各向异性的有效性,确定真实含水层尺度及对流中平流的影响。ResumoA conveção em aquíferos pode criar áreas anormais de alta temperatura a profundidades baixas, as quais podem ser exploradas para energia geotérmica. Medições de temperatura na Bacia de Perth (Austrália Ocidental) mostram padrões térmicos consistentes com conveção no Aquífero Yarragadee. Esta observação é apoiada pelos cálculos do número de Rayleigh, os quais mostram que a conveção é possível dentro da gama de espessuras, gradientes geotérmicos, gradientes de salinidade e permeabilidades encontradas no Aquífero Yarragadee, assumindo que o aquífero pode ser tratado como uma camada anisotrópica homogénea. Um modelo simplificado de simulações numéricas de conveção do Aquífero Yarragadee mostra que: (1) O espaçamento de upwellings convetivos pode ser previsto a partir da espessura do aquífero e da anisotropia da permeabilidade, (2) Upwellings convetivos podem ser circulares ou alongados no plano horizontal, (3) Upwellings convetivos criam condições significativamente melhores na temperatura em relação ao perfil condutivo, (4) As taxas de fluxo convetivas são similares às taxas de fluxo regional da água subterrânea, e (5) A conveção homogeneiza a salinidade dentro do aquífero. Torna-se necessário realizar algum trabalho adicional para restringir os parâmetros da permeabilidade média horizontal e vertical do Aquífero Yarragadee, para avaliar a validade de considerar o aquífero como uma camada anisotrópica homogénea, e para determinar o impacte da geometria real do aquífero e da adveção na conveção.