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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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Institut Mines-Télécom
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
Institut Mines-Télécom
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/
Institut Mines-Télécom
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
Institut Mines-Télécom
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)
Institut Mines-Télécom
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)
Institut Mines-Télécom
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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Institut Mines-Télécom
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)
Institut Mines-Télécom
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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Institut Mines-Télécom
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)
Institut Mines-Télécom
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
Institut Mines-Télécom
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