Modélisation Thermo-Hydro-Mécanique du comportement d'une faille valve en utilisant une approche DEM

Thermo-Hydro-Mechanical modeling of fault-valve behavior using a DEM approach

• Auteur / Autrice : Oussama Larkem
• Direction : Fabrice Golfier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique - Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Hydrogéomécanique multi-échelles (Axe GéoModèles)

Mots clés

Mots clés libres

Faille Valve

Méthode des éléments discrets

Modélisation THM

Fault Valve

Discrete element method

THM Modeling

Résumé

L'évolution complexe de la perméabilité et du comportement mécanique des failles pendant et après leur réactivation nécessite une meilleure description des processus physiques en jeu. L'état actuel de la modélisation de la réactivation des failles propose de décrire macroscopiquement ces mécanismes d'affaiblissement et de renforcement à l'aide de lois phénoménologiques telles que la loi de frottement « rate and state », largement utilisée. Cependant, si ces formulations se sont avérées efficaces pour reproduire certains comportements de failles observés (par exemple Cappa et Rutqvist, 2011), elles sont basées sur des paramètres déterminés empiriquement et une partie de la physique reste mal décrite (par exemple, les effets de la température, la localisation des déformations, l'évolution de la perméabilité associée aux effets de cicatrisation et de scellement). Dans cette thèse de doctorat, l'objectif est de relier la réponse macroscopique de la zone de gouge et d'endommagement d'une faille aux phénomènes micromécaniques à l'oeuvre lors de sa réactivation dans la lignée des travaux initiés par Nguyen et al. (2021) et Zhang et al. (2021). Pour ce faire, un modèle à éléments discrets (DEM) couplé à un schéma de volume fini à l'échelle du pore (PFV) est utilisé mis en oeuvre dans le logiciel YADE DEM (e.g., Mostafa et al., 2023). Dans un premier temps, les comportements stables et transitoires d'une gouge granulaire cisaillée seront simulés sous l'effet de chargement mécanique et hydraulique, en nous concentrant plus particulièrement sur l'évolution de la perméabilité au cours du cycle sismique simulé à travers la dynamique de « stick-slip » de la gouge modélisée. Ensuite, le rôle de la température sur le comportement global est examiné en considérant soit l'influence de la pressurisation thermique ou de l'échauffement par cisaillement (ou les deux !). Une étude similaire sera menée pour la zone endommagée. A cette fin, un réseau de fractures discrètes (DFN) sera généré et les réponses hydrauliques et mécaniques induites par les surpressions de fluide seront simulées à l'aide d'un modèle DEM. Dans un deuxième temps, nous poursuivrons l'objectif du changement d'échelle, et de relier les propriétés effectives des failles aux propriétés micromécaniques des milieux simulés (la gouge et la zone endommagée), en tirant profit des simulations numériques directes. En effet, des modèles constitutifs assez simples sont classiquement mis en oeuvre pour travailler à l'échelle du bassin alors que les lois de comportement jouent un rôle clé dans la réponse HM des failles aux processus de valve. Des essais de compression et de cisaillement direct seront réalisés numériquement sous différentes pressions de confinement et à différents états d'endommagement afin d'estimer les propriétés élastiques et de résistance des failles. De la même manière, la conductivité thermique et la perméabilité effectives seront dérivées respectivement des essais de conduction thermique et des essais d'injection de fluide. Une ouverture hydraulique dépendant de l'endommagement sera également dérivée et liée à la perméabilité de la faille. Enfin, ces propriétés THM seront assignées à un modèle de fracture simplifié à l'aide d'un logiciel commercial basé sur les éléments discrets à des fins de validation. Des lois de comportement avancées seront étudiées, dérivées de la mise à l'échelle et comparées aux simulations DEM à l'échelle du pore.

The complex evolution of fault permeability and strength during and after fault reactivation calls for a better description of the physical processes at stake. The current state-of-the-art in fault reactivation modeling proposes to describe macroscopically these weakening and strengthening mechanisms through phenomenological laws such as the widely used rate-and-state law. However, if these formulations have proven successful in reproducing some observed fault behaviors (e.g. Cappa and Rutqvist, 2011), they are based on empirically determined parameters and a part of the physics remain badly described (e.g., temperature effects, strain localization, permeability evolution associated to healing and sealing effects). In this PhD thesis, The aim is to relate the macroscopic response of both the gouge and damage zone of a fault to the micromechanical phenomena at work during its reactivation following the work initiated by Nguyen et al. (2021) and Zhang et al. (2021). For that purpose, a discrete element model (DEM) coupled with a pore-scale finite volume (PFV) scheme implemented in the YADE DEM software is used (e.g., Mostafa et al., 2023). In a first step, we will simulate the steady state and transient behaviors of a sheared granular gouge under the effect of mechanical and hydraulic loadings (Figure 1), focusing more specifically on permeability evolution during the earthquake cycle simulated through the stick-slip dynamics of the modeled gouge. Then, the role of temperature on the overall behavior is examined by considering either (or both!) the influence of thermal pressurization and shear heating. A similar investigation will be conducted for the damage zone. For that purpose, a discrete fracture network (DFN) will be generated and the hydraulic and mechanical responses induced by fluid overpressures will be simulated using a DEM model. In a second step, we will pursue the goal of upscaling the micromechanical properties of the simulated media (the gouge and the damage zone) to determine the effective properties of faults, taking advantage from direct numerical simulations. Indeed, rather simple constitutive models are classically implemented to work at basin scale whereas behavior laws play a key-role in the HM response of faults to valving processes. Compressive and direct shear tests will be performed numerically under different confinement pressures and at different damage states to estimate both elastic and strength properties of faults. In a similar way, effective thermal conductivity and permeability will be derived respectively from heat conduction tests and fluid injection tests. A damage-dependent hydraulic aperture will be also derived and related to the fault permeability. Finally, these THM properties will be assigned to a simplified fracture model using the discrete element-based commercial software for validation purpose. Advanced behavior laws will be studied, derived from upscaling and compared with pore-scale DEM simulations.