Interactions fluide-roche : impact de l'affaiblissement de l'eau sur les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des roches carbonatées microporeuses

Fluid-rock interactions : impact of water-weakening on static and dynamic mechanical properties of microporous carbonate rocks

• Auteur / Autrice : Davide Geremia
• Direction : Christian David, Beatriz Menendez, Christophe Barnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers - Cergy
• Date : Soutenance le 13/04/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Baud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian David, Beatriz Menendez, Christophe Barnes, Patrick Baud, Wenlu Zhu, Jérôme Fortin, Fanny Descamps, Nicolas Gland, Joël Sarout
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wenlu Zhu, Jérôme Fortin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches, Mécanique des

Mots clés libres

Geomécanique

Roches carbonatées

Physique des roches

Rock physics

Carbonate rocks

Geomechanics

Résumé

Le comportement mécanique des roches sous contraintes est influencé par le fluide saturant qui peut provoquer une détérioration des propriétés mécaniques statiques et dynamiques. Alors que cet affaiblissement a été observé dans plusieurs études sur les grès, relativement peu d’études ont été faites sur les roches carbonatées, qui présentent une forte complexité de texture. En outre, les mécanismes qui sous-tendent cet affaiblissement par l'eau ne sont pas encore bien établis. Les auteurs ont fait valoir que les facteurs physiques, chimiques et un couplage entre les deux sont les principales causes induisant une diminution des propriétés mécaniques des roches, et plus particulièrement (1) la pression capillaire ; (2) la précipitation et la dissolution ; (3) l'énergie de surface du système fluide/roche ; (4) la pression de disjonction induite par l'eau adsorbée sur les grains.Nous avons mené une étude multi-échelles et multi-approches sur des roches carbonatées microporeuses du bassin de Mons en Belgique, afin de : (1) quantifier l'affaiblissement sur les paramètres mécaniques et comparer avec les études précédentes ; (2) identifier les mécanismes impliqués, avec de nouvelles données.Nous avons obtenu de nouveaux résultats issus de tests conventionnels triaxiaux, d'injection de fluide, uniaxiaux, brésiliens et de ténacité, couplés à une analyse de surface des roches étudiées, afin de faire le lien entre les paramètres mécaniques et les modifications induites sur l'interface eau-roche.Notre étude montre que les opérations de monitoring telles que la méthode sismique, peuvent produire des informations utiles pour détecter (1) l'affaiblissement induit et (2) le chemin et la migration du fluide injecté.Les essais expérimentaux de substitution de fluide sont, en fait, réalisés avec un monitoring ultrasonique au moyen d’un réseau de 6 capteurs piézoélectriques à partir desquels des informations sur l'évolution de la vitesse des ondes P, S, en fonction de la saturation en eau, de la propagation et de la distribution du fluide, sont obtenues.Les signaux enregistrés lors de ces tests ont été interprétés en termes de (1) distribution eau-air qui induit des phénomènes de relaxation de la pression, provoquant dispersion et atténuation ; (2) affaiblissement de la rigidité de contact, conduisant à une diminution de la vitesse des ondes P et (3) interférence des ondes due à la transition d'une zone sèche à une zone partiellement humide qui fournit des informations sur la migration du fluide.Un autre champ d’application de notre étude est l’étude de l'instabilité des carrières souterraines inondées (par exemple ''La Malogne'' en Belgique), où l'affaiblissement par l'eau est connu pour augmenter le risque d'effondrement, mettant en danger les zones anthropiques à la surface. À cet effet, nous avons analysé la réponse mécanique des roches de la carrière soumises à des cycles d'imbibition - séchage en laboratoire, visant à simuler ce qui se produit chaque année à l'intérieur de la carrière belge et qui serait responsable des effondrements observés au cours des dernières décennies.L'affaiblissement mécanique par l'eau est un problème critique qui est généralement sous-estimé dans les opérations industrielles impliquant l'injection de fluides, comme les systèmes géothermiques améliorés, la récupération du pétrole ou le stockage du CO2. Par ailleurs, il peut potentiellement induire une réduction de paramètres importants comme la perméabilité ou provoquer des dommages et une fracturation incontrôlée conduisant, par exemple, à la réactivation de failles, et à ce titre, notre objectif était de mettre en évidence son effet sur les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des roches.

The mechanical behaviour of rocks under stress is influenced by the saturating fluid in a way that the static and dynamic mechanical properties deteriorate. Whereas this weakening has been studied to a certain extent in sandstones, a large gap still exists for carbonate rocks, which present a strong complexity of texture. Moreover, the mechanisms underlying this water-weakening are not yet well established. Authors argued that physical, chemical processes and a coupling in between these two are the principal factors inducing a decline in the mechanical properties of rocks, more precisely (1) capillary pressure; (2) precipitation and dissolution; (3) surface energy of the fluid/rock system; (4) disjoining pressure induced by the water adsorbed onto the grains.We conducted a multi-scale, multi-approach study on microporous carbonate rocks from the Mons basin in Belgium, in order to: (1) quantify the weakening on the mechanical parameters and compare with previous studies; (2) identify the mechanisms involved, with new supporting data.We obtained new results issued from conventional triaxial, fluid injection, uniaxial, Brazilian and fracture toughness tests, coupled with a surface analysis of the studied rocks, to bridge the gap in between the mechanical parameters and the modifications induced on the water-rock interface.Our study shows that monitoring operations such as the seismic method, can produce useful information to detect (1) the induced weakening and (2) the path and migration of the injected fluid.The experimental fluid-substitution tests are, in fact, monitored with an ultrasonic array of 6 piezoelectric transducers from which information on the P, S-wave velocity evolution, in function of water saturation, fluid propagation and distribution is retrieved.The recordings of ultrasonic monitoring during these tests were interpreted in term of (1) water-air distribution which induces pressure-relaxation phenomena, causing dispersion and attenuation; (2) weakening of the contact stiffness, leading to decrease in P-wave velocity and (3) waves interference due to the transition from a dry zone to a partially wet one which provides information on fluid migration.as Another application of our work is the study of the instability of flooded underground quarries (e.g. “La Malogne” in Belgium), where the water-weakening is known to increase the collapse hazard, endangering anthropic areas at the surface. In this regard, we analysed the mechanical response of the rocks from the quarry to cycles of imbibition - drying, mimicking what occurs every year inside the Belgian quarry and is thought to be responsible for the collapses observed in recent decades.Water-weakening is a critical issue which is generally underestimated in industry operations involving fluid injection, such as enhanced geothermal systems, oil recovery or CO2 storage. In addition, it can potentially induce a decline in important parameters like permeability or induce uncontrolled damage and fracturing leading, for example, to fault reactivation, and as such, our goal was to shed light on its effect on static and dynamic mechanical properties of rocks.