A 3D hydro-mechanical discrete element model for hydraulic fracturing in naturally fractured rock

par Efthymios Papachristos

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Frédéric Victor Donzé et de Luc Scholtès.

Le président du jury était Pierre Bérest.

Le jury était composé de Chloé Arson, Hamid Pourpak, Bruno Chareyre.

Les rapporteurs étaient Farhang Radjaï, Jean Sulem.

  • Titre traduit

    Un modèle hydro-mécanique 3D d'élément discret pour la fracturation hydraulique de roches naturellement fracturées


  • Résumé

    La fracturation hydraulique est au cœur d'un certain nombre de phénomènes naturels et induits et est cruciale pour un développement durable de la production de ressources énergétiques. Compte tenu de son rôle crucial, ce phénomène a été pris en compte au cours des trois dernières décennies par le monde académique. Néanmoins, un certain nombre d'aspects très importants de ce processus ont été systématiquement négligés par la communauté. Deux des plus remarquables sont l'incapacité de la grande majorité des modèles existants à aborder la propagation des fractures hydrauliques dans les massifs rocheux fracturés où l'injection de fluide peut à la fois conduire à la fracturation de la roche intacte et à la réactivation de fractures préexistantes. Un autre aspect essentiel de ce processus est qu'il est intrinsèquement tridimensionnel, ce qui est souvent négligé par les modèles actuellement disponibles. Pour aborder ce problème essentiel, un modèle hydro-mécanique couplé basé sur la méthode des éléments discrets a été développé. La masse rocheuse est ici représentée par un ensemble d'éléments discrets interagissant à travers des lois de contact cohésifs qui peuvent se casser pour former des fissures à l'intérieur du milieu simulé. Ces fissures peuvent se coalescer pour former des fractures. Une méthode de volume fini est utilisée pour simuler l'écoulement de fluide entre les éléments discrets. L'écoulement est calculé en fonction de la déformation de l'espace poreux dans le milieu intact et de l'ouverture des fissures dans les fractures. De plus, les fractures naturelles sont modélisées explicitement de sorte qu'elles peuvent présentées des comportements mécanique et hydraulique différents de ceux de la matrice rocheuse intacte. La simulation des processus de fracturation hydraulique dans un milieu initialement intact en considérant plusieurs points d'injection plus ou moins espacés a permis de mettre en évidence l'évolution spatio-temporelle des fractures hydrauliques et de quantifier l'impact des différentes stratégies d'injection sur des indices représentatifs du volume fracturé, de l'intensité et de la densité des fractures ou encore sur la pression de fluide au niveau du puits. De plus, l'injection dans une fente de perforation non alignée sur le plan de contrainte minimum a génère des fractures hydrauliques non planaires percolantes si la connectivité est faible, ce qui peut être gênant pour la mise en place du proppant. En outre, des interactions fortes prennent place entre des fractures hydrauliques étroitement espacées ont été mises en évidence grâce au le suivi de la orientation de contrainte principale locale et ont révélé l'importance des effets d'ombre de contrainte. Des solutions sont proposées pour optimiser les traitements multiples à partir d'un puits de forage non parfaitement aligné. Enfin, l'interaction entre une seule fracture hydraulique et une seule fracture naturelle de propriétés et d'orientations variables a été étudiée à l'aide du modèle proposé. L'évolution de la fracture hydraulique et la réponse globale de l'échantillon ont été enregistrées d'une manière comparable aux données expérimentales existantes pour établir un pont entre les résultats expérimentaux et numériques. Les fractures naturelles persistantes semblent être des barrières pour la fracture hydraulique si leur conductance est élevée par apport a celle de la matrice ou si leur raideur est faible par rapport a la rigidité du milieu environnant. D'autre part, une faible rigidité dans les discontinuités non persistantes pourrait provoquer une bifurcation de la fracture hydraulique principale. De plus, des angles d'approche élevés et des contraintes différentielles fortes semblent favoriser le croisement de la fracture naturelle alors que des angles faibles engendrent plutôt un glissement ou une dilatation par cisaillement de la partie du plan qui n'est pas affectée par la perturbation de la contrainte.


  • Résumé

    Hydraulic fracturing is at the core of a number of naturally occurring and induced phenomena and crucial for a sustainable development of energy resource production. Given its crucial role this process has been given increasing attention in the last three decades from the academic world. Nonetheless a number of very significant aspects of this process have been systematically overlooked by the community. Two of the most notable ones are the inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in realistic, fractured rocks-masses where hydraulic fracturing is a competing dipole mechanism between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another essential aspect of this process is that it is intrinsically three-dimensional which is neglected by most models. To tackle this vital problem taking into account these pivotal aspects, a fully coupled hydro-mechanical model based on the discrete element method has been developed. The rock mass is here represented by a set of discrete elements interacting through elastic-brittle bonds that can break to form cracks inside the simulated medium. Theses cracks can coalesce to form fractures. A finite volume scheme is used to simulate the fluid flow in between these discrete elements. The flow is computed as a function of the pore space deformation in the intact medium and of the cracks' aperture in the fractures. Furthermore, the natural fractures are modelled explicitly and present mechanical and hydraulic properties different from the rock matrix. Employing this model in an intact numerical specimen, single fluid injection and multiple closely spaced sequential injections, enabled the description the full spatio-temporal evolution of HF propagation and its impact on quantitative indexes used in description of hydraulic fracturing treatments, such as fractured volume, fracture intensity and down-the-hole pressure for different control parameters and in-situ stress-fields. Moreover, injections from perforation slots which are not well aligned to the minimum stress plane showed possible creation of percolating non-planar hydraulic fractures of low connectivity, which can be troublesome for proppant placement. Also, strong interactions between closely spaced HF were highlighted by tracking the local principal stress rotation around the injection zones, emphasizing the importance of stress shadow effects. Optimization solutions are proposed for multiple treatments from a non-perfectly aligned wellbore. Finally, interaction between a single hydraulic fracture and a single natural fracture of varying properties and orientations was studied using the proposed model. The evolution of the hydraulic fracture and the global response of the specimen were recorded in a way comparable to existing experimental data to bridge the experimental and numerical findings. Persistent natural fractures appeared to be barriers for the hydraulic fracture if their conductance is high compared to the matrix conductivity or if their stiffness is significantly low compared to the rock matrix rigidity. Low stiffness in non-persistent defects might also cause a bifurcation of the main hydraulic fracture due to the local stress field perturbation around the defect and ahead of the hydraulic fracture tip. Furthermore, high approach angles and differential stresses seemed to favour crossing of the natural fracture while low angles enable shear slippage or dilation on the part of the plane which is not affected by the local stress perturbation.


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