Fractures et réseau de fractures

Les fractures peuvent jouer un rôle majeur dans le développement des propriétés réservoirs des zones de failles et de leurs encaissants. Ces fractures créent un réseau où la capacité de circulation des fluides dépend de nombreux paramètres comme la densité des fractures, leurs longueurs, leurs ouvertures, leur connectivité, etc (section 2.3).

La définition d’une fracture est formulée de différentes manières selon les caractéristiques qui sont étudiées, comme la description morphologique (Dennis, 1967) ou mécanique (Ranalli et Gale, 1976). Du point de vue des caractéristiques de réservoir, une fracture est une discontinuité macroscopique planaire pouvant avoir différentes origines, différents types de mouvement relatif et qui ont un impact sur sa porosité et sa perméabilité (Nelson et al., 2001). Le mouvement des plans peut être en ouverture stricte (mode I), ou en ouverture cisaillante parallèle (mode II) ou perpendiculaire à la direction de la rupture (mode III) (Figure 2.5).

Figure 2.5 : schéma des différents types de fractures en fonction de la direction d’ouverture et de propagation des fractures (Twiss et Moores, 2007).

Ces fractures peuvent être d’origine tectonique, comme c’est le cas de celles qui contribuent au développement de la zone endommagée des failles. Mais elles peuvent avoir d’autres origines : la contraction thermique de la roche (refroidissement des plutons, coulées volcaniques) (Price & Cosgrove, 1990 ; Rolet et al., 1993), la décompression liée à l’exhumation (Pollard et Aydin, 1988 ; Holzhausen, 1989 ; Mandl, 2005), les transformations minéralogiques (gonflement des argiles, métamorphisme, …) (Cho et al.,

2003 ; Dewandel et al., 2006 ; Jamveit et al., 2009 ; Jamtveit et Yardley, 2012). On parle

alors de joints, de diaclases, de fracturation primaire, … Ces fractures peuvent également être colmatées par des minéralisations secondaires et être considérées comme des veines.

Enfin, il s’agit également de considérer l’échelle d’observation des fractures : le terme fissure ou crack est ainsi communément employé pour des fractures observées de l’échelle centimétrique à l’échelle microscopique.

Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à l’ensemble du réseau de fractures de la roche dans et hors des zones de failles quelque soit leur origine. De plus, les marqueurs

de mouvement pour distinguer les modes d’ouverture sont rares dans les roches plutoniques. Nous allons donc nommer fracture toute discontinuité structurale planaire, quelque ce soit son origine, qu’elle soit minéralisée ou non. Pour distinguer les observations à l’échelle de l’affleurement des observations à l’échelle matricielle, le terme fissure sera employé pour les discontinuités observées à l’échelle infra-centimétrique.

2.1.3. La porosité

La porosité est définie comme la fraction de vide présente dans un matériau. Elle est le plus souvent exprimée en pourcentage représentant le volume de vide sur le volume du matériau. Dans un échantillon rocheux, les pores au sens large désignent les vides de petites tailles dont l’ensemble forme la porosité. Dans l’étude des écoulements de fluides, la forme, la taille, la connexion entre les pores sont autant de paramètres qui conditionnent les écoulements au delà de la simple valeur de porosité (Zimmerman et al.,

2002). Les pores sont ainsi classés en fonction de leur forme et de leur degré de

connectivité et selon différentes descriptions qui dépendent des objectifs de ces études. Il convient en premier lieu de faire la distinction entre la porosité connectée et la porosité non connectée (Norton et Knapp, 1977). La première constitue le réseau poreux accessible par les techniques de saturation tandis que la seconde est formée des pores isolés et ainsi non atteignables par ces mêmes techniques (Figure 2.6). Ces deux volumes forment la porosité totale de l’échantillon. Dans la porosité connectée, on peut également faire la distinction entre la porosité dite euclidienne qui est le siège des circulations de fluides tandis que la porosité fractale est le volume où se font les interactions fluides-roches (Aharonov, 1997). D’autres paramètres sont également à prendre en compte quand il s’agit de caractériser la porosité des matériaux rocheux. Ainsi, la tortuosité et la connectivité des pores notamment influent fortement sur les propriétés de transfert (Wardlaw et McKellar, 1981).

Figure 2.6 : schéma d’un échantillon rocheux montrant la différentiation porosité non connectée et connectée, ainsi que la porosité fissurale.

Le pore peut aussi être défini suivant son coefficient de forme (Walsh et Brace,

1966 ; Homand et Duffaut, 2000). Les pores au sens strict représentent ainsi les volumes

plutôt convexes où le rapport de forme largeur/longueur est supérieur à 10-3, tandis que le terme fissure désigne plutôt les vides à très fort allongement. Dans les roches granulaires, il a également été mis en avant des pores de forme cylindrique, les tubes, à la jonction de trois grains par opposition aux pores situés à la jonction entre quatre grains et de géométrie plus sphérique (Bernabé, 1991 ; Fredrich et al., 1993). La porosité et ses caractéristiques de formes dépendent ainsi de nombreux paramètres comme le type de roche (matériau granulaire, fissuré) mais aussi de l’histoire géologique qui comprend la phase de mise en place, de déformation ou encore d’altération (Géraud, 1991). L’attention portée aux différents types de porosité ainsi que les techniques de mesures vont donc dépendre du type de matériau et des caractéristiques que l’on souhaite mettre en évidence. Dans ce manuscrit, les techniques de quantification de la porosité présentées ne permettent pas d’avoir accès qu’à la porosité connectée. De plus, dans le cadre de cette étude multi-échelle, on s’intéresse à toute taille de pore depuis les micropores de taille infra-micrométrique jusqu’aux porosités des zones de failles plurikilométriques. Ainsi, le terme de porosité désignera la porosité connectée, sans distinction de forme et de taille, qu’elle soit euclidienne ou fractale. Quand il sera possible de faire la distinction, notamment par l’étude des lames minces, le terme fissure désignera les vides à fort allongement.

2.1.4. La perméabilité

La perméabilité d’un milieu poreux est sa capacité à laisser circuler un fluide, qu’il soit liquide ou gazeux. C’est une propriété macroscopique qui est fortement influencée par la géométrie du réseau poreux, et qui se définit donc à différentes échelles d’observations, depuis l’échelle du pore ou de la fracture par des mesures sur échantillons jusqu’à l’échelle du bassin en utilisant des données de puits et en faisant appel à la modélisation de l’écoulement.

La perméabilité est décrite de façon satisfaisante pour un écoulement stationnaire par une loi empirique qui relie le débit volumique et la force (gradient de pression) appliquée (Darcy, 1856). Pour un fluide incompressible, la relation peut être décrite par l’équation 2.1 où Q est le débit volumique par unité de surface (m3.m-2.s-1), µ la viscosité dynamique du fluide μ (Pa.s), p le différentiel de pression (Pa) et k la perméabilité intrinsèque (m2). Cette perméabilité intrinsèque dépend de la structure et de la connectivité des pores et n’est définie qu’à l’échelle macroscopique.

𝑄 =^𝑘

𝜇 ^{𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑝}

Équation 2.1

En unité SI, la perméabilité k est exprimée en [m2]. On peut distinguer la perméabilité intrinsèque k qui ne dépend que de la structure et de la connectivité des pores de la conductivité hydraulique K, plus communément utilisée en hydrogéologie, et qui varie en fonction de la densité (ρ en kg.m-3) et de la viscosité du fluide μ (Équation 2.2). La conductivité hydraulique se mesure ainsi en m.s-1, tandis que la perméabilité intrinsèque est exprimée en Darcy. Un Darcy correspond à la perméabilité d’un milieu traversé par une eau à 20°C (viscosité = 1 Pa.s) soumis à un gradient de pression d’une atmosphère par centimètre à une vitesse d’un centimètre par seconde. Cela donne le coefficien de conversion : 1 m2 = 1,01.1012 Darcy.

𝐾 = ^{𝑘 𝜌 𝑔} 𝜇

Équation 2.2

Avec g = l’accélération de la pesanteur (m.s-2).

Figure 2.7 : échelle de conversion de la perméabilité (Larive, 2002).

Les réservoirs de socle qui font l’objet de cette thèse ont souvent une perméabilité matricielle faible à très faible. Les mesures sont en général au maximum du millidarcy, mais le plus souvent inférieure (Figure 2.7). Les résultats des mesures expérimentales et des modélisations numériques seront par conséquent exprimés en millidarcy (mD).