Comportement hydro-thermique d'un écoulement de fluide dans une fracture rugueuse : modélisation et application à des massifs fracturés

Hydro-thermal behavior of a fluid flowing in a rough fracture : Modelling and application to fractured bedrocks

• Auteur / Autrice : Amélie Neuville
• Direction : Jean Schmittbuhl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Mots clés libres

Fracture

Couplage hydro-thermique

Advection-diffusion de la chaleur

Chenalisation

Résumé

Dans de nombreux réservoirs géothermiques profonds, l'échangeur thermique est un massif de roches chaudes fracturées. Comment la morphologie des fractures influence-t-elle le flux hydraulique et le champ de température lorsque de l'eau froide est injectée dans ce milieu ? Cette question est abordée à l'échelle de la fracture, de manière numérique, à l'aide de deux méthodes : par différences finies, en 2D, et par méthode de Boltzmann sur réseau, en 3D. Les calculs en différences finies montrent qu'une ouverture auto-affine induit une variabilité spatiale du flux hydraulique et du champ de température (chenalisation). Souvent, ceci réduit l'efficacité du transfert thermique entre la roche et le fluide. Le comportement hydro-thermique est essentiellement contrôlé par les plus grandes longueurs d'ondes des ouvertures. Deux application à grande échelle sont proposées: à Soultz-sous-Forêts (France) et à Draix (France). À Draix, la géométrie de fractures du sous-sol est caractérisée précisément à partir de carottes géologiques, en utilisant un laser. Ces données sont utilisées pour quantifier la perméabilité. À l'aide de méthode de Boltzmann sur réseau, la modélisation du comportement hydro-thermique dans des fractures présentant une topographie avec de fortes pentes est abordée. Au voisinage d'une aspérité de forme simple, le comportement hydro-thermique modélisé est très différent (recirculation) de celui dans le reste de la fracture. L'ensemble de ces modélisations suggère qu'il est nécessaire de prendre en compte la morphologie des fractures pour estimer le comportement hydro-thermique en géothermie.

For many deep geothermal systems, the heat exchanger consists in a hot fractured bedrock. How does the morphology of the fractures influence the hydraulic flow and the temperature field when cold water is injected into this medium? This question is numerically addressed at the fracture scale, using two methods: finite differences, in 2D, and lattice Boltzmann methods, in 3D. The finite difference computations show that a self-affine aperture induce space variability of the hydraulic flow and temperature field. It can create a channeling of the fluid, which reduces the efficiency of the heat transfer between the rock and fluid. These hydrothermal characteristics are mostly generated by the largest wavelengths of these self-affine apertures. A first application at large scales, dimensioned according to the characteristics of the geothermal site of Soultz-sous-Forêts (France) is proposed. A second application aims at evaluating the permeability of the basement of Draix (French Alps). To do so, the geometry of fractures is precisely characterized using geological cores. Using laser measurements, the morphology of fracture apertures is reconstructed. These data are used to estimate the permeability, shown to be relatively high. Lattice Boltzmann methods are used to model the hydrothermal behavior in fractures whose topography is very steep. The hydrothermal behavior near a simple-shaped asperity is very different (recirculation) from the one in the remaining parts of the fracture. All these modelings suggest that it is necessary to take into account the morphology of the fractures to estimate the hydrothermal behavior for geothermal purposes.