Institut Mines-Télécom 27/11/2014

Milieux fracturés

Caractérisation et processus

thermo-hydro-mécaniques

Dominique Bruel

Centre de Géosciences - SHR

Institut Mines-Télécom

Plan de l’exposé

Fracturation: un processus multi-échelle

Point de vue mécanique

Point de vue hydraulique

• Le double milieu

• L’approche discrète

Les interactions Hydro-Mécaniques

• Échelle locale

• Modélisation d’un « Stimulated Rock Volume » et micro-sismicité

Le rôle de la température

La géothermie profonde et les interactions Thermo-Hydro-Mécaniques

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La fracturation :

un résultat de l’histoire géologique polyphasée

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Observable à toutes les échelles

• Forages, affleurements, linéaments/imagerie spatiale

• Fractures, failles

Accéder à la ressource

Forages/galeries/MCO

Exploiter un réservoir

Eau/chaleur/hydrocarbures

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Impact de la fracturation dans les ouvrages

miniers – ce qu’il faut anticiper

Choix des pentes des MCO / optimisation des volumes déplacés

Orientation des galeries / mesures de renforcement • Injections coulis

• Plan de boulonnage

• Rôle de l’eau

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http://www.leparisien.fr/societe/ R. Ghazal, thèse Mines-Paristech-2013 http://www.lesechos.fr/17/06/2013/

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Impact de la fracturation dans les ouvrages

miniers – aspects géomécaniques

Reconstitution de blocs fracturés à partir d’observations (SIMBLOC). Stabilité d’une MCO

• Densité

• Orientation

• Longueurs de traces ─ Cf. Poster: Fracturation , D. Renard

Simulation de la stabilité des blocs à la paroi d’une galerie après déconfinement,

• rhéologies non-linéaires des joints

• blocs déformables

• effet des contraintes naturelles

• Nouveau logiciel « ISOBLOC », (thèse R. Ghazal 2013)

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N

1 m

SIMULATED

DISCONTINUITIES

CONNECTED

DISCONTINUITIES

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Impact des fractures sur le comportement

d’un aquifère – socle & roches volcaniques

L’analyse des tests de pompage montre un ’Double Milieu’ poreux : 2 champs Pf , Pm

Réseau de fractures : forte perméabilité, peu ou pas d’emmagasinement

Blocs de milieu poreux : perméabilité faible, effet d’emmagasinement

Réponse type d’un essai de pompage, en forme de baïonnette dans un diagramme semi-log

Coefficient d’échange entre les 2 milieux (Warren & Root 1963)

• Qmf = - α Km/μ (P f - Pm)

• α =60/L2 (Gringarten, 1984)

• Agir sur le facteur de forme α ?

• Estimer et agir sur Kf ?

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D’après D. Roubinet (2010)

D’après P. Goblet, code METIS, (2013)

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Modèles de réseaux de fractures (DFN)

Approche Discrète : des objets simples sont explicitement introduits, selon des statistiques sur les variables observées:

Densité et position dans l’espace processus de Poisson

Cf. Poster (D. Renard) pour densité variable

Loi de distribution des orientations

Loi de distribution des longueurs

Caractérisation de α [m-2]

Traitement de l’écoulement

• 2D / 1D

Traitement de la mécanique

• Blocs rigides / élastiques

• Frottement dans les fractures

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D’après K.A. Moussa,

Thèse Mines-ParisTech (2013)

Source FRACAFLOW, IFPEN)

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Modélisation hydrogéologique à l’échelle

d’un aquifère fracturé (ANR GIIWS, 2104)

Outils DFN de simulation des écoulements • Géométrie à grande échelle >100 m: linéaments et affleurements

• Géométrie à petite échelle <100m : affleurements et sismique réfraction en zone saturée/non saturée

Données pour caractérisation de Kf à échelle 250m: propagation du signal de marée en 7 sites. Résultat: Kf est anisotrope et varie entre 10-3 et 10-1 m/s

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(Source B. Deffontaine, 2011, N. d’Ozouville, 2007)

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Interaction hydro-mécanique dans une

fracture isolée

Rugosité de la surface • Écoulement en chenaux

• Caractère « chenalisé » qui augmente avec le confinement normal

• Raideur mécanique qui diminue avec la pression fluide

Diminution de la résistance au cisaillement avec augmentation de la pression fluide

• Rupture + glissement possibles

• Importance de l’orientation des surfaces par rapport au tenseur anisotrope des contraintes naturelles

• Glissement dilatant

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D’’après WC Jeong Thèse EMP (1998)

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Modélisation d’un « Stimulated Rock Volume » et

couplage HM à l’échelle d’un réservoir de chaleur

Outils DFN de simulation de la diffusion d’un front de pression dans un réseau 3D (projet FP5, Bruel, 2007)

• Injection de deux phases fluides non miscibles (schéma IMPES, C. Baujard, thèse EMP 2006)

• Reconstitution de la migration du cisaillement (Soultz/F)

Calibration des propriétés de perméabilité initiale sur la migration spatio-temporelle de la micro-sismicité induite observée

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Interaction thermo-mécanique et couplage

THM dans un réseau de fractures

Echanges thermiques

• Convection dans les fractures

• Conduction dans la matrice

• Au droit de chaque fracture: ΔT

σth = Kr E αth ΔT

σ’n=σn - P - σth

Kr < 1

Diminution de la résistance

au cisaillement avec

augmentation de la pression

fluide et le refroidissement

• Possibilité de rupture et glissement

retardé à long terme, même à

pression constante

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D’après Nilson (2001)

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Exemple de modélisation THM de réservoir

géothermique fracturé avec percée du front

thermique

Le site de Rosemanowes (UK)

– Phase 2B/2C, durée 3 ans :

• Pression variable imposée

• Production stabilisée à 15 L/s

• Température décroissante entre 80

et 55°C

• Vitesse des ondes P diminuée

• Activité sismique continue

• 1 microséisme Mw 1.7 après 2 ans

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D’après K.A. Moussa, Thèse EMP, 2013

Projet FP7 GEISER 2010-2103

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Valorisation

Un thème fédérateur transverse

Des résultats visibles, des projets -label IA- sur la géothermie haute énergie en cours de contractualisation

Un pont technologique valorisable auprès du milieu pétrolier

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Source Teranov, 2014