Characterization of geothermal reservoirs’ parameters by inverse problem resolution and geostatistical simulations

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model).

La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Sviluppo di una metodologia per la modellazione geologica-geomeccanica ed il monitoraggio di reservoir adibiti a siti di stoccaggio di gas naturale

La valutazione dei rischi associati all’operatività dei sistemi di stoccaggio, quali la sismicità indotta e la subsidenza, è requisito basilare per una loro corretta gestione e progettazione, e passa attraverso la definizione dell’influenza sullo stato tensionale delle variazioni di pressione di poro nel sottosuolo. Principale scopo di questo progetto è lo sviluppo di una metodologia in grado di quantificare le deformazioni dei reservoir in funzione della pressione di poro, di tarare i modelli utilizzati con casi studio che presentino dati di monitoraggio reali, tali da consentire un confronto con le previsioni di modello. In questa tesi, la teoria delle inomogeneità è stata utilizzata, tramite un approccio semianalitico, per definire le variazioni dei campi elastici derivanti dalle operazioni di prelievo e immissione di fluidi in serbatoi geologici. Estensione, forma e magnitudo delle variazioni di stress indotte sono state valutate tramite il concetto di variazione dello sforzo critico secondo il criterio di rottura di Coulomb, tramite un’analisi numerica agli elementi finiti. La metodologia sviluppata è stata applicata e tarata su due reservoir sfruttati e riconvertiti a sistemi di stoccaggio che presentano dataset, geologia, petrofisica, e condizioni operative differenti. Sono state calcolate le variazioni dei campi elastici e la subsidenza; è stata mappata la variazione di sforzo critico di Coulomb per entrambi i casi. I risultati ottenuti mostrano buon accordo con le osservazioni dei monitoraggi, suggerendo la bontà della metodologia e indicando la scarsa probabilità di sismicità indotta. Questo progetto ha consentito la creazione di una piattaforma metodologica di rapido ed efficace utilizzo, per stimare l’influenza dei sistemi di stoccaggio di gas sullo stato tensionale della crosta terrestre; in fase di stoccaggio, permette di monitorare le deformazioni e gli sforzi indotti; in fase di progettazione, consente di valutare le strategie operative per monitorare e mitigare i rischi geologici associati a questi sistemi.

The conundrum of human visceral leishmaniasis in Emilia-Romagna, Italy: are wild and peridomestic animals potential reservoirs?

Leishmaniasis is a complex parasitic disease caused by intracellular protozoans of the genus Leishmania mainly transmitted by the bite of sand flies. In Italy, leishmaniasis is caused by Leishmania infantum, responsible for the human visceral and canine leishmaniases (HVL and CanL, respectively). Within Emilia-Romagna region, Italy, recent molecular studies indicated that L. infantum strains circulating in dogs and humans are different. This suggests that an animal reservoir other than dog should be evaluated in the epidemiology of HVL in Emilia-Romagna. Therefore, the main aim of this PhD project was to investigate the role of wild and peridomestic mammals as potential animal reservoirs of L. infantum in the regional zones where HVL foci are still active, also evaluating the possible role of arthropod vectors other than phlebotomine sandflies as vectors of Leishmania spp. in the sylvatic cycle of the protozoa. Overall, 206 specimens of different animal species (roe deer, rats, mice, badgers, hares, polecats, foxes, beech martens, bank voles, hedgehogs, and shrews), collected in Emilia-Romagna were screened for Leishmania with a real-time PCR, revealing a prevalence of 33% for roe deer (first report in this species). Positivity was also found in brown rats (10.6%), black rats (13.1%), mice (10%), badgers (25%), hedgehogs (80%) and bank voles (11%). To distinguish the two strains of L. infantum circulating in Emilia-Romagna, a nested PCR protocol optimized for animal tissues was developed, demonstrating that over 90% of L. infantum infections in roe deer were due to the strain isolated from humans and suggesting their possible role as reservoirs in the study area. Furthermore, the presence of Leishmania kDNA was detected in unfed larvae, nymphs and males of questing Ixodes ricinus ticks collected in regional parks of Emilia-Romagna suggesting their possible role in the transmission of L. infantum in a sylvatic or rural cycle.

Structural and stratigraphic control on hypogene dissolution in carbonate rocks: case studies of cave analogues and implications for karst reservoirs

The aim of this research is to improve the understanding of the factors that control the formation of karst porosity in hypogene settings and its associated patterns of void-conduit networks. Subsurface voids created by hypogene dissolution may span from few microns to decametric tubes providing interconnected conduit systems and forming highly anisotropic permeability domains in many reservoirs. Characterizing the spatial-morphological organization of hypogene karst is a challenging task that has dramatic implications for the applied industry, given that only partial data can be acquired from the subsurface by indirect techniques. Therefore, two outcropping cave analogues are examined: the Cavallone-Bove Cave in the Majella Massif (Italy), and the karst systems of the Salitre Formation (Brazil). In the latter, a peculiar example of hypogene speleogenesis associated with silicification has been studied, providing an analogue of many karstified reservoirs hosted in cherts or cherty-carbonates within mixed sedimentary sequences. The first part of the thesis is focused on the relationships between fracture patterns and flow pathways in deformed units in: 1) a fold-and-thrust setting (Majella Massif); 2) a cratonic block (Brazil). These settings represent potential playgrounds for the migration and accumulation of geofluids, where hypogene conduits may affect flow pathways, fluid storage, and reservoir properties. The results indicate that localized deformation producing cross-formational fracture zones associated with anticline hinges or fault damage zones is critical for hypogene fluid migration and karstification. The second part of the thesis deals with the multidisciplinary study of hydrothermal silicification and hypogene dissolution in Calixto Cave (Brazil). Petrophysical analyses and a geochemical characterization of silica deposits are used to unravel the spatial-morphological organization of the conduit system and its speleogenesis. The novel results obtained from this cave shed new light on the relationship between hydrothermal silicification, hypogene dissolution and the development of multistorey cave systems in layered carbonate-siliciclastic sequences.