Characterization under uncertainties of compaction processes in sedimentary basin

This contribution is focused on development and application of innovative uncertainty quantification techniques for the characterization under uncertainties of compaction processes in sedimentary basin. Different geological contexts, from synthetic settings to real field cases, and different scale problems are considered regarding two different aspects associated with sedimentary basin modeling: (i) the overpressure development in presence of low-permeability layers and (ii) the presence of highly layered stratigraphy. In the first part, we present a feasible methodology for a preliminary risk analysis of overpressure buildup in sedimentary basins characterized by simplified lithology: few thick layers of sandy and shaly materials alternately deposited. A one-dimensional numerical model is adopted for forward modeling fluid flow and vertical mechanical and geochemical compaction processes. A model reduction technique, based on sparse grid sampling technique and generalized polynomial chaos expansion, is employed in forward and inverse modeling context to obtain an efficient uncertainty quantification and model parameter estimation. The uncertainty propagation from uncertain input parameter to numerical model outputs is investigated and quantified. The methodology is applied to two real field settings. Different ensembles of input data are considered for calibration and the best result is found when different types of data are considered jointly. This modeling strategy allows to probe the relation between compaction and fluid flow processes in sedimentary basins, focusing on the quantification of relative importance of those phenomena which are the main drivers of overpressure development in presence of low-permeability layers. A novel procedure to extend this methodology to highly layered domain is detailed in the second part of the work. In geological context characterized by highly layered lithology the considered methodology losses in accuracy and the generalized polynomial chaos expansion cannot be employed to approximate those model outputs which exhibit a discontinuous behaviour with respect to input parameters at interfaces between different lithological materials. Starting from the observation that physical interfaces positions are continuous with respect to parameters, a two-steps surrogate model is developed. In the first step, the interfaces positions are estimated with a sparse-grid approach in the physical domain then, in the second step, the model outputs are projected into a reference domain where the discontinuities in depth are aligned and the sparse grid approximation of the state variables can be performed. This procedure is applied to synthetic test cases characterized by realistic deposition and compaction history. Results associated with sparse grid approximation are in close agreement with those obtained with a direct simulation of the full model and characterized by lower computational costs in comparison to the latter. Results emphasize the relevance of presented uncertainty quantification techniques in terms of sedimentary basin characterization and risk evaluation and allow to point out their wide range of applicability.

Questo lavoro è incentrato sullo sviluppo e sull'applicazione di tecniche innovative di quantificazione dell’incertezza per la caratterizzazione di processi di compattazione in bacini sedimentari. Differenti contesti geologici sono investigati, facendo riferimento sia a casi sintetici che a casi reali, caratterizzati da problemi a differenti scale. L’attenzione è stata prevalentemente focalizzata su due aspetti rilevanti associati alla modellizzazione di bacini sedimentari: (i) lo sviluppo di sovrapressioni in presenza di strati di bassa permeabilità e (ii) la presenza di una stratigrafia complessa, caratterizzata da un elevato numero di strati di materiale diverso. Nella prima parte del lavoro viene presentata una metodologia idonea ad un'analisi preliminare del rischio di formazione di sovrapressioni nei bacini sedimentari caratterizzati da una litologia semplificata: pochi strati di materiali sabbiosi e argillosi depositatisi alternativamente. Viene adottato un modello numerico monodimensionale per la modellazione diretta di processi di flusso di fluidi e processi di compattazione meccanica e geochimica. Una tecnica di riduzione della complessità del modello, basata su (i) un metodo di campionatura di griglia sparsa e (ii) un'espansione generalizzata in caos polinomiale, è impiegata in un contesto di modellazione diretta e inversa per ottenere la quantificazione dell’incertezza e la stima dei parametri del modello in maniera efficiente. La propagazione dell'incertezza dai parametri in ingresso ai risultati in uscita del modello numerico viene esaminata e quantificata. La metodologia è applicata a due casi reali. La calibrazione del modello numerico è effettuata considerando diverse tipologie di dati in ingresso per la calibrazione, il risultato ottimale si ottiene quando i diversi tipi di dati vengono considerati congiuntamente. Questa strategia di modellazione consente di analizzare la relazione tra compattazione e flusso di fluidi nei bacini sedimentari, concentrandosi sulla quantificazione dell'importanza relativa di tali fenomeni, considerati come i principali fattori di sviluppo di sovrapressione in presenza di strati di bassa permeabilità. Una nuova procedura per estendere l’applicabilità di questa metodologia a un dominio fortemente stratificato è descritta nella seconda parte del lavoro. In contesti geologici caratterizzati da un elevato numero di strati di materiale differente, le metodologie considerate sono affette da perdite in termini di precisione e accuratezza e l'espansione in caos polinomiale non può essere utilizzata per approssimare le risposte del modello che, in corrispondenza delle interfacce tra i diversi materiali litologici, sono caratterizzate da un comportamento discontinuo rispetto ai parametri in ingresso. Partendo dall'osservazione che le posizioni delle interfacce fisiche esibiscono un comportamento continuo rispetto ai parametri, viene sviluppato un modello surrogato suddiviso su due passi. Nel primo passo, le posizioni delle interfacce vengono approssimate con un approccio a griglia sparsa nel dominio fisico, nel secondo passo, le uscite del modello vengono prima proiettate in un dominio di riferimento in cui le discontinuità in profondità sono allineate e, successivamente, viene effettuata l'approssimazione griglia sparsa per le variabili di stato. Questa procedura è applicata a casi test sintetici caratterizzati da una storia di deposizione e compattazione realistica. I risultati associati all'approssimazione della griglia sparsa sono conformi a quelli ottenuti con una simulazione diretta del modello completo e caratterizzati da minori costi di calcolo rispetto a quest'ultimo. I risultati enfatizzano la rilevanza delle tecniche di quantificazione delle incertezze presentate in termini di caratterizzazione dei bacini sedimentari e di valutazione del rischio e consentono di evidenziare la loro vasta gamma di applicabilità.