L’objectif de ce travail est double : d’une part, il s’agit de développer une méthodologie intégrée pour la construction d’un modèle géomécanique ainsi que la représentation des incertitudes associées aux propriétés poro-élastiques des roches constitutives, en exploitant l’ensemble des données disponibles et en s’appuyant de façon cohérente sur les modèles de réservoir statique et dynamique classiquement utilisés par les géologues et les ingénieurs réservoir ; d’autre part, il s’agit d’analyser quel est l’impact des hétérogénéités géologiques, souvent négligées, dans la réponse mécanique du réservoir sollicité par son exploitation, et d’aboutir à des incertitudes sur les champs de contraintes et de déplacements, issues des incertitudes sur ces hétérogénéités et leurs paramètres mécaniques. Pour ce faire, une méthodologie intégrée s’appuyant sur des simulations géostatistiques a été développée. Après la construction du cadre géométrique 3D, le remplissage des propriétés au sein du réservoir suit une démarche de simulations géostatistiques 3D emboîtées, dans laquelle la représentation des hétérogénéités lithologiques conditionne la génération des propriétés poro-élastiques. La démarche consiste ensuite à représenter les incertitudes sur le modèle géomécanique par des ensembles de réalisations géostatistiques dont la réponse mécanique est alors calculée avec un simulateur mécanique aux éléments finis. Les incertitudes sur les champs de contraintes et de déformations sont déduites ensuite des différentes réponses mécaniques obtenues. La démarche a été mise en œuvre sur un réservoir réel, dans un environnement fluvio-deltaïque, produisant en Mer du Nord. Dans ce cadre, il a été démontré que les hétérogénéités du réservoir et leurs incertitudes influencent significativement les calculs des champs de contraintes et de déformations, ainsi que les risques mécaniques de rupture. Des incertitudes sur les quantités mécaniques analysées (premier invariant du tenseur des contraintes et subsidence) ont été aussi estimées / This work has two main objectives. The first one is to develop an integrated methodology allowing to build a 3D geomechanical model and also to image the uncertainties attached to the poro-mechanical properties of the constitutive rocks. This geomechanical model should be based on all related available data and should be consistent with the static and dynamic models, currently built by reservoir geologists and engineers. The second objective is to analyse the impact of geological heterogeneities, which are often neglected, in the mechanical response of the reservoir induced by its exploitation, and furthermore to derive uncertainties on the stress and deformation fields related to the uncertainties on the input properties of the geomechanical model. An integrated methodology based on geostatistical simulations is developed. First, the geometric frame is built; then an approach of embedded stochastic simulations is carried out to infill the different reservoir properties, the lithological description constraining the petrophysical and poro-elastic descriptions. The next step is to generate the mechanical responses of the stochastic realisations, using a finite-element mechanical simulator. The uncertainties on the resulting stress and displacement fields are then deduced from the multiple mechanical responses which are computed. This approach is demonstrated on a real field case, a fluvio-deltaic reservoir in North Sea. It is shown on this example that the reservoir heterogeneities and their uncertainties significantly influence the calculations of stress and strain fields, and also the risks of mechanical failure. Uncertainties on the mechanical quantities under analysis (first invariant of the stress tensor and subsidence) are also derived

Die geologische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke war bereits mehrfach Gegenstand geowissenschaftlicher Arbeiten. Darauf aufbauend war es möglich, unter erstmaliger Verwendung von computergenerierten 3D-Modellen, die Kenntnisse über die Vorerzgebirgs-Senke unter Einbindung neuer Gesichtspunkte zu erweitern. Auf der Basis der entwickelten 3D-Modelle von Zwickau, Mülsenfeld und Oelsnitz und unter Berücksichtigung der Ergebnisse neuerer Kartierungen und Untersuchungen, vor allem innerhalb der ehemaligen Steinkohlenbergbaureviere von Lugau/Oelsnitz und Zwickau, werden Vorstellungen zur möglichen geologischen Entwicklung der Struktur dargelegt. Dabei wird ein vollständiges Bild der Beckenentwicklung, beginnend ab Westfal B/C (Flöha-Becken) bis rezent für den Senkungsraum zusammengetragen. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass die bruchtektonische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke von einer präoberkarbonen Beckenanlage im Zuge der variszischen Falten-/Schuppentektonik und Deckenstapelung über eine tektonisch kontrollierte Anlage der Sedimentbecken, einer synsedimentären Tektonik, bis hin zu bedeutenden postsedimentären saxonischen Bewegungen reicht.

Die geologische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke war bereits mehrfach Gegenstand geowissenschaftlicher Arbeiten. Darauf aufbauend war es möglich, unter erstmaliger Verwendung von computergenerierten 3D-Modellen, die Kenntnisse über die Vorerzgebirgs-Senke unter Einbindung neuer Gesichtspunkte zu erweitern. Auf der Basis der entwickelten 3D-Modelle von Zwickau, Mülsenfeld und Oelsnitz und unter Berücksichtigung der Ergebnisse neuerer Kartierungen und Untersuchungen, vor allem innerhalb der ehemaligen Steinkohlenbergbaureviere von Lugau/Oelsnitz und Zwickau, werden Vorstellungen zur möglichen geologischen Entwicklung der Struktur dargelegt. Dabei wird ein vollständiges Bild der Beckenentwicklung, beginnend ab Westfal B/C (Flöha-Becken) bis rezent für den Senkungsraum zusammengetragen. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass die bruchtektonische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke von einer präoberkarbonen Beckenanlage im Zuge der variszischen Falten-/Schuppentektonik und Deckenstapelung über eine tektonisch kontrollierte Anlage der Sedimentbecken, einer synsedimentären Tektonik, bis hin zu bedeutenden postsedimentären saxonischen Bewegungen reicht.

Reproducing the construction of a geoscientific model is a hard task. It requires the availability of all required data and an exact description how the construction was performed. In practice data availability and the exactness of the description is often lacking. As part of this thesis I introduce a conceptual framework how geoscientific model constructions can be described as directed acyclic hypergraphs, how such recorded construction graphs can be used to reconstruct the model, and how repetitive constructions can be used to verify the reproducibility of a geoscientific model construction process. In addition I present a software prototype, implementing these concepts. The prototype is tested with three different case studies, including a geophysical measurement analysis, a subsurface model construction and the calculation of a hydrological balance model.:1. Introduction 1.1. Survey on Reproducibility and Automation for Geoscientific Model Construction 1.2. Motivating Example 1.3. Previous Work 1.4. Problem Description 1.5. Structure of this Thesis 1.6. Results Accomplished by this Thesis 2. Terms, Definitions and Requirements 2.1. Terms and Definitions 2.1.1. Geoscientific model 2.1.2. Reproducibility 2.1.3. Realisation 2.2. Requirements 3. Related Work 3.1. Overview 3.2. Geoscientific Data Storage Systems 3.2.1. PostGIS and Similar Systems 3.2.2. Geoscience in Space and Time (GST) 3.3. Geoscientific Modelling Software 3.3.1. gOcad 3.3.2. GemPy 3.4. Experimentation Management Software 3.4.1. DataLad 3.4.2. Data Version Control (DVC) 3.5. Reproducible Software Builds 3.6. Summarised Releated Work 4. Concept 4.1. Construction Hypergraphs 4.1.1. Reproducibility Based on Construction Hypergraphs 4.1.2. Equality definitions 4.1.3. Design Constraints 4.2. Data Handling 5. Design 5.1. Application Structure 5.1.1. Choice of Application Architecture for GeoHub 5.2. Extension Mechanisms 5.2.1. Overview 5.2.2. A Shared Library Based Extension System 5.2.3. Inter-Process Communication Based Extension System 5.2.4. An Extension System Based on a Scripting Language 5.2.5. An Extension System Based on a WebAssembly Interface 5.2.6. Comparison 5.3. Data Storage 5.3.1. Overview 5.3.2. Stored Data 5.3.3. Potential Solutions 5.3.4. Model Versioning 5.3.5. Transactional security 6. Implementation 6.1. General Application Structure 6.2. Data Storage 6.2.1. Database 6.2.2. User-provided Data-processing Extensions 6.3. Operation Executor 6.3.1. Construction Step Descriptions 6.3.2. Construction Step Scheduling 6.3.3. Construction Step Execution 7. Case Studies 7.1. Overview 7.2. Geophysical Model of the BHMZ block 7.2.1. Provided Data and Initial Situation 7.2.2. Construction Process Description 7.2.3. Reproducibility 7.2.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.2.5. Recommendations 7.3. Three-Dimensional Subsurface Model of the Kolhberg Region 7.3.1. Provided Data and Initial Situation 7.3.2. Construction Process Description 7.3.3. Reproducibility 7.3.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.3.5. Recommendations 7.4. Hydrologic Balance Model of a Saxonian Stream 7.4.1. Provided Data and Initial Situation 7.4.2. Construction Process Description 7.4.3. Reproducibility 7.4.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.4.5. Recommendations 7.5. Lessons Learned 8. Conclusions 8.1. Summary 8.2. Outlook 8.2.1. Parametric Model Construction Process 8.2.2. Pull and Push Nodes 8.2.3. Parallelize Single Construction Steps 8.2.4. Provable Model Construction Process Attestation References Appendix