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Géosciences

Un modèle hydromécanique pour maîtriser les fractures naturelles du sous-sol

Les fractures naturelles du sous-sol offrent aux fluides des chemins d’écoulement préférentiels.
   
La perméabilité globale des roches qui en résulte est largement mise à profit pour la production énergétique (géothermie ou récupération d’hydrocarbures).
   
En revanche, ces fractures peuvent représenter une difficulté du point de vue de l’étanchéité des stockages géologiques.
  
Il est donc essentiel :

  • d’anticiper leurs effets induits,
      
  • et de prévoir leurs éventuelles extensions et réorientations, sous l’effet de la pression des fluides en place et des contraintes mécaniques existantes dans le massif rocheux.

C’est dans ce but qu’un modèle numérique hydromécanique totalement couplé a été développé.
   
Ce nouveau modèle(1) est basé sur la méthode des éléments finis étendue (X-FEM), qui permet de s’affranchir des problèmes relatifs à la génération et à la modification du maillage de calcul en présence de fractures et suite à leur évolutiona. L’écoulement dans ces dernières est régi par leur ouverture et par les échanges de fluides qui ont lieu avec le milieu poreux environnant.
   
Le comportement mécanique de la fracture est par ailleurs décrit par un modèle de zone cohésive.
   
Dénommé HM-XFEM, le modèle hydromécanique a été validé par comparaison avec des solutions analytiques et testé sur des cas synthétiquesb, afin de vérifier sa capacité à prédire le comportement des fractures en intégrant les effets des contraintes mécaniques (cf. figure).
   
Parmi les futurs enrichissements possibles du modèle, figurent :

  • la prise en compte d’un écoulement multiphasique,
      
  • la diffusion d’espèces chimiques,
      
  • ou l’anisotropie de la roche poreuse.

 

a- Car le maillage n'a pas à suivre la géométrie des fractures.
  
b- Non issus de cas réels.
  
c- Représentation de l’ouverture des fractures et de la pression de fluide [Pa].

 

Contact scientifique :  daniele.colombo@ifpen.fr

Article paru dans Science@ifpen n° 33 - Juin 2018

Publication

  1. M. Faivre, B. Paul, F. Golfier, R. Giot, P. Massin, D. Colombo, 2D coupled HM-XFEM modeling with cohesive zone model and applications to fluid-driven fracture network, Engineering Fracture Mechanics 2016.
    >> DOI: 10.1016/j.engfracmech.2016.03.029

  


 

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