Modélisation hydromécanique de la réactivation de faille par la méthode des éléments discrets

DEM hydromechanical modeling of fault reactivation

• Auteur / Autrice : Alexandra Tsopela
• Direction : Frédéric Victor Donzé, Yves Guglielmi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 25/06/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Maillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Scholtès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florian Amann, Jean Sulem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Mécanique des sols

Failles (géologie)

Mots clés libres

Dem

Pressurisation du fluide

Zone de la faille

Dem

Fluid pressurization

Fault zone

Résumé

Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées.

Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures.