Modèles numériques

Ecoulement entre deux plaques parallèles : 

Dans le cas d’une approche discrète, le flux est résolu pour chacune des fractures. Les premiers modèles ramenaient l’écoulement dans une fracture comme l’écoulement entre deux plaques parallèle, d’ouverture constante. La transmissivité est une propriété hydraulique des fractures qui est analogue à la transmissivité des acquifères, définie ici comme l’écoulement parallèle dans le plan de fracture à travers l’ouverture, rendu possible en appliquant un gradient de charge (Gustafson and Fransson, 2006, Méheust, 2002, Jing and Stephansson, 2007, Oron and Berkowitz, 1998). Le gradient de charge s’écrit alors en fonction du différentiel de charge hydraulique ∆ et de la longueur de de l’objet étudié :

∆ Équation 1-18

L’écoulement entre deux plans parallèles séparé d’une distance , est le modèle le plus simple représentant l’écoulement dans une fracture. Ce modèle est basé sur un écoulement stationnaire d’un fluide visqueux incompressible suivant , le long d’une section rectangulaire de longueur L, en régime laminaire permanent (Fig. 1-15).

Fig. 1-15. Modèle de l’écoulement entre deux plans parallèles, écoulement plan de Poiseuille

L’écoulement est assuré grâce à l’existence d’un différentiel entre la charge appliqué d’un côté et de l’autre du système . Ce modèle à pour solution une loi cubique obtenue sur la base de l’analyse de l’écoulement plan de Poiseuille (Fig. 1-15) :

∙ ∙ ; ^{Équation 1-19}

La transmissivité dans le plan de fracture s’écrit alors de la façon suivante (Legrain, 2007, Méheust, 2002) :

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24 Par analogie, la perméabilité s’écrit alors :

12

Équation 1-21

Hétérogénéités d’ouvertures : distribution de transmissivité 

Les études hydrauliques des puits ont montré que la distribution de conductivité hydraulique, le long du forage, est très large, et les flux sont très concentrés sur quelques fractures (Abelin et al., 1985, Cacas et al., 1990a, Follin et al., 2007, Hartley et al., 2010). A partir de ce constat, les travaux qui ont porté sur la transmissivité des fractures ont considéré (i) une distribution d’ouverture à l’échelle de la fracture (Zou et al., 2015, de Dreuzy et al., 2012), ou alors une distribution de transmissivité à l’échelle du réseau (McKenna and James, 2007, Follin and Stigsson, 2013, Rhén et al., 2008, Follin et al., 2007, Gustafson and Fransson, 2006, Watanabe et al., 2009).

A l’échelle de la fracture, une hétérogénéité d’ouverture peut être appliquée (de Dreuzy et al., 2012, Méheust and Schmittbuhl, 2001). La figure ci-dessous présente les effets de la distribution de transmissivité hétérogène à l’intérieur des fractures (Fig. 1-16-Gauche) comparé à des transmissivités homogène dans la fracture mais hétérogènes dans le réseau. La Fig. 1-16-Gauche décrit une chenalisation dans la fracture proche de ce qui est observée par Watanabe et al. (2009). de Dreuzy et al. (2012) ont conclu que lorsque l’échelle de la fracture est infinie en comparaison aux hétérogénéités d’ouvertures, le modèle de Poiseuille prédit correctement l’écoulement.

Fig. 1-16. L’écoulement à travers deux réseaux numériques identiques à l’exception des propriétés hydrauliques des fractures. A gauche, les auteurs intègrent une distribution d’ouverture (qui traduit une distribution de transmissivité) dans chacune des fractures. A droite, une distribution d’ouverture est appliqué à l’échelle du réseau, c’est-à-dire que l’ouverture est homogène pour une fracture, mais différent d’une fracture à l’autre. Tiré de (de Dreuzy et al., 2012).

25 A l’échelle du réseau, les transmissivités de fractures peuvent être simulées à partir de 3 types de distributions : (FC) corrélée ; (SC) semi-corrélée ; (UC) non corrélée. La distribution de transmissivité corrélée est de type loi de puissance qui est entièrement corrélée à la taille de la fracture. Dans ce cas, si la fracture est grande sa transmissivité sera tout aussi importante. La distribution semi-corrélée est la somme d’une distribution log-normal qui dépend de la taille de la fracture, avec une part d’aléatoire. Enfin, la distribution non corrélée est définie par une loi log-normal tel que , la moyenne et l’écart type de la distribution. Sur une gamme de longueurs données, les 3 distributions (FC, SC et UC) des transmissivités donnent des résultats proches (Follin et al., 2013, de Dreuzy et al., 2012).

Role de la taille du domaine dans l’organisation du flux. 

Comme nous l’avons précisé dans ce rapport bibliographique, la taille du domaine joue un rôle dans la connectivité du réseau. Lorsque augmente, le paramètre de percolation augmente jusqu’à pour une échelle caractéristiques . Cette échelle caractéristique de connectivité est à mettre en lien avec l’échelle d’homogénéisation, où les propriétés hydrauliques du domaine restent constant quel que soit . Fig. 1-17 présente l’évolution de la perméabilité en fonction de l’échelle de mesure. Les petites échelles correspondent à des mesures expérimentales et les grandes échelles (de l’ordre du kilomètre) ont été réalisé sur le terrain. Cette figure montre que la perméabilité des réseaux ont tendance à tendre vers une valeur limite, au-delà d’une certaines valeurs seuil de l’échelle de mesure.

Fig. 1-17. Présentation des effets d’échelles sur la perméabilité, d’après (Clauser, 1992) et tiré de (Darcel, 2002).

L’ensemble des propriétés géométriques et hydrauliques des réseaux de fractures est contrôlées par des effets d’échelles qui sont liés à la complexité des milieux naturels. Lorsqu’on étudie un réseau, où l’échelle de l’étude tronque la taille des fractures ou encore leurs densités, les propriétés hydrauliques qui en découlerons ne seront pas représentatif du milieu étudié. D’où la nécessité de caractériser parfaitement l’ensemble des propriétés statistiques afin de s’assurer de la pertinence de l’étude et d’en déduire des conclusions qui pourront nous renseigner sur la réalité du milieu. Ce travail de recherche s’inscrit dans la même philosophie, qui consiste à définir les propriétés des milieux fracturés par des indicateurs statistiques. Et dans la partie suivante nous proposons de situer ce travail de recherche par rapport aux travaux précédents.

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Positionnement du sujet de recherche vis-à-vis des travaux déjà réalisés

Le sujet de recherche porte sur la modélisation des écoulements dans les milieux fracturés de façon très générale, et plus particulièrement sur les effets de la structure et de l’organisation spatiale des fractures sur l’écoulement. L’idée sous-jacente étant de comprendre les différents mécanismes qui régissent la chennalisation de l’écoulement. Jusqu’à présent, les réseaux fracturés étaient étudiés suivant deux axes : l’approche stochastiques où l’on intègre de plus en plus de complexités géométriques au DFN, limitée par les connaissances sur les processus de génération des réseaux et nos capacités informatiques ; et l’étude des modèles autres, de type déterministe, limités par les capacités d’investigation du sous-sol.

Cette thèse s’inscrit dans le premier axe de recherche, dans lequel depuis les années 60, les DFN sont de plus en plus complexes. Les DFN ont été complexifié, des simples réseaux avec des orientations de fractures limitées (Long et al., 1985), à des réseaux plus complexes intégrant des distributions de longueurs « réalistes », ainsi qu’une intégration de distribution d’orientation. Cette évolution des DFN est le résultat de l’amélioration des méthodes de génération de type fractals qui reproduisent la géométrie des milieux naturels (Turcotte, 1986, Miao et al., 2015, Davy et al., 2006a, Darcel et al., 2003b, Darcel et al., 2003a, Acuna and Yortsos, 1995), ou encore de type mécanique, qui reproduit par des règles simples, la propagation des fractures. Nous nous situons sur une nouvelle branche de cet arbre de l’évolution des modèles numériques, avec l’utilisation d’un modèle mécanique qui a une philosophie nouvelle. Au lieu de reproduire les propriétés statistiques des milieux fracturés, en intégrant aux processus de générations les paramètres souhaités, le modèle mécanique tente de reproduire la géométrie du milieu en intégrant simplement les interactions entres fractures. Nous n’avons plus un modèle conditionné par une distribution de longueur et de densité, mais un modèle où la densité et la distribution des longueurs résultent de la génération (MM). La réelle nouveauté de ce DFN est alors de corréler plusieurs paramètres entre eux.

A partir des MM et de son équivalent classique poissonien, nous analysons leurs propriétés géométriques et hydrauliques, et tentons d’identifier les facteurs qui régissent l’organisation spatiale de l’écoulement. Très peu d’études ont été menées sur des modèles mécaniques, ou encore sur les propriétés géométriques et hydrauliques spécifiques qui peuvent en découler. Par exemple, MM est composé d’une très importante quantité d’intersections de petites tailles et de formes particulières (T), et il existe des études sur le transport dans les intersections de façon générale (Zafarani and Detwiler, 2013, Stockman et al., 2001, Park et al., 2003b, Ji et al., 2004), mais très peu sur l’effet des intersections sur les propriétés hydrauliques du réseau (Kosakowski and Berkowitz, 1999). Pour résumer, nous étudierons un nouveau modèle de fracture, qui est lui-même composé d’intersections d’un type particulier encore très peu étudié, et nous le comparerons à des données du site de Forsmark, afin de le tester sur un cas réel.

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