Determination of fracture apertures via calibration of three-dimensional discrete-fracture-network models: application to Pahute Mesa, Nevada National Security Site, USA

Abstract

The Pahute Mesa Corrective Action Unit on the Nevada National Security Site (USA) contains several fractured aquifers that can potentially provide high-permeability pathways for migration of radionuclides away from underground nuclear testing locations. Though geometric properties of fractures such as length and orientations, can generally be obtained by geophysical methods and borehole image analyses, their hydraulic properties (primarily influenced by their apertures) are often unknown or have a high degree of uncertainty. This study presents a novel approach to determine fracture apertures at a site by integrating numerical models of flow with data of certain geometrical fracture attributes and hydraulic response of the system because of long-term pumping. Discrete fracture network (DFN) models were used in this study to construct a three-dimensional (3-D) flow model for lava-flow aquifers of Western Pahute Mesa (WPM). Models built using a 3-D DFN code, dfnWorks, were calibrated to hydraulic drawdown observations recorded at the site of a forced-gradient experiment (BULLION FGE). Multiple conceptualizations of boundary conditions, fracture aperture distributions, and realizations of the fracture network were considered to simulate flow and migration of particles between an injection well and a pumping well. Calibrating the DFN flow models to hydraulic drawdown data constrained the ranges of aperture values and helped develop a realistic description of the properties of fractured rocks in WPM. The aperture values resulting from this study are expected to enhance understanding of radionuclide transport in WPM and support the development of large-scale flow and transport models.

Résumé

L’unité d’action corrective de Pahute Mesa sur le site de sécurité nationale du Nevada (États-Unis d’Amérique) contient plusieurs aquifères fracturés qui peuvent potentiellement fournir des voies de haute perméabilité pour la migration des radionucléides loin des sites d’essais nucléaires souterrains. Bien que les propriétés géométriques des fractures, telles que la longueur et les orientations, puissent généralement être obtenues par des méthodes géophysiques et des analyses d’images de forage, leurs propriétés hydrauliques (principalement influencées par leurs ouvertures) sont souvent inconnues ou présentent un degré élevé d’incertitude. Cette étude présente une nouvelle approche pour déterminer les ouvertures des fractures sur un site en intégrant des modèles numériques d’écoulement avec des données de certains attributs géométriques des fractures et la réponse hydraulique du système du fait d’un pompage à long terme. Des modèles de réseaux de fractures discrètes (DFN) ont été utilisés dans cette étude pour construire un modèle d’écoulement tridimensionnel (3-D) pour les aquifères à écoulement de lave de la Mesa occidentale de Pahute (MOP). Les modèles construits à l’aide d’un code DFN 3D, dfnWorks, ont été calibrés en fonction des observations de rabattement enregistrées sur le site d’une expérience à gradient forcé (BULLION FGE). De multiples conceptualisations des conditions aux limites, des distributions des ouvertures de fracture et des réalisations du réseau de fractures ont été envisagées pour simuler l’écoulement et la migration des particules entre un puits d’injection et un puits de pompage. La calibration des modèles d’écoulement DFN via les données de rabattement a contraint les plages de valeurs des ouvertures et a permis de développer une description réaliste des propriétés des roches fracturées dans la MOP. Les valeurs d’ouverture résultant de cette étude devraient améliorer la compréhension du transport des radionucléides dans la MOP et soutenir le développement de modèles d’écoulement et de transport à grande échelle.

Resumen

La Pahute Mesa Corrective Action Unit en el Nevada National Security Site (EEUU) contiene varios acuíferos fracturados que pueden proporcionar potencialmente vías de alta permeabilidad para la migración de radionucleidos fuera de los lugares subterráneos para ensayos nucleares. Aunque las propiedades geométricas de las fracturas, como la longitud y la orientación, pueden obtenerse en general mediante métodos geofísicos y análisis de imágenes de perforaciones, sus propiedades hidráulicas (influenciadas principalmente por sus aperturas) son a menudo desconocidas o tienen un alto grado de incertidumbre. En este estudio se presenta un nuevo enfoque para determinar las aperturas de las fracturas en un sitio mediante la integración de modelos numéricos de flujo con datos de ciertos atributos geométricos de la fractura y la respuesta hidráulica del sistema debido al bombeo a largo plazo. En este estudio se utilizaron modelos de red de fracturas discretas (DFN) para construir un modelo tridimensional (3-D) de flujo para los acuíferos de flujo de lava de la Mesa de Pahute Occidental (WPM). Los modelos construidos utilizando un código DFN en 3-D, dfnWorks, fueron calibrados a las observaciones de disminución del nivel hidráulico registradas en el sitio de un experimento de gradiente forzado (BULLION FGE). Se tuvieron en cuenta múltiples conceptualizaciones de las condiciones límite, las distribuciones de las aperturas de las fracturas y las observaciones de la red de fracturas para simular el flujo y la migración de las partículas entre un pozo de inyección y un pozo de bombeo. La calibración de los modelos de flujo de la DFN a los datos de descenso hidráulico limitó los rangos de los valores de apertura y ayudó a desarrollar una descripción realista de las propiedades de las rocas fracturadas en WPM. Se espera que los valores de apertura resultantes de este estudio mejoren la comprensión del transporte de radionucleidos en WPM y apoyen el desarrollo de modelos de flujo y transporte a gran escala.

摘要

内华达州国家安全区(美国)的Pahute Mesa纠正措施单元包含几个裂隙含水层,这些含水层有可能会为放射性核素从地下核试验场地迁移到其它地方提供高渗透性路径。通常,利用地球物理方法和钻孔图像可以获得和分析裂隙的几何特征,如长度和方向,但其水力性质(主要受其张开度的影响)却通常是未知的或具有高度不确定性。本研究提出了一种确定场地裂隙张开度的新方法。该方法将水流的数值模型与某些几何裂隙特征和长期抽水引起的系统水力响应的数据进行了结合。本研究采用离散裂隙网络(DFN)模型,建立了Pahute Mesa西部(WPM)熔岩流含水层的三维水流模型。使用三维离散裂隙网格代码dfnWorks建立的模型,利用在梯度驱动试验(BULLION FGE)现场记录的水力降深观测值进行校准。考虑了边界条件、裂隙张开度分布和裂隙网络实现等多种概念,模拟了注水井和抽水井之间物质的流动和运移。利用水力降深数据校准离散裂隙网络水流模型。该模型可以约束张开度的范围,并有助于Pahute Mesa西部裂隙岩石特性的真实描述。通过本研究得到的张开度有望提高对WPM放射性核素迁移的理解,并有助于发展大规模的水流和运移模型。

Resumo

A unidade de ação corretiva Pahute Mesa no Local de Segurança Nacional em Nevada (EUA) contém diversos aquíferos fraturados que potencialmente podem fornecer caminhos de alta permeabilidade para a migração de radionuclídeos externa às localidades de testes nucleares subterrâneos. Embora as propriedades geométricas das fraturas, como o tamanho e orientação, podem geralmente ser obtidas por métodos geofísicos e análises de imageamento de poços, as propriedades hidráulicas (primeiramente influenciadas pelas aberturas) são frequentemente desconhecidas ou com alto grau de incerteza. Esse estudo apresenta uma nova abordagem para determinar aberturas de fraturas em um local integrando modelos numéricos de fluxo com dados de certos atributos geométricos de fraturas e resposta hidráulica do sistema pelo bombeamento de longo período. Modelos de rede de fraturas discretas (RFD) foram utilizados nesse estudo para construir um modelo de fluxo tridimensional (3-D) para aquíferos com fluxo de lava em Pahute Mesa Ocidental (PMO). Modelos construídos utilizando um código 3-D RFD, dsnWorks, foram calibrados para as observações do rebaixamento hidráulico gravado no local de um experimento de gradiente-forçado (BULLION FGE); Conceitualizações múltiplas de condições de borda, distribuições de aberturas de fraturas, e realizações de redes de fraturas foram consideradas para simular o fluxo e a migração de partículas entre um poço injetor e um poço de bombeamento. A calibração dos modelos de fluxo RFD para os dados de rebaixamento hidráulico restringem os alcances dos valores de abertura e auxiliam o desenvolvimento de uma descrição realista das propriedades de rochas fraturadas em PMO. Os valores de aberturas resultantes do estudo são esperados para melhorar o entendimento do transporte de radionuclídeos em PMO e ajudar no desenvolvimento de fluxo de grande escala e modelos de transporte.