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Développement des fractures géologiques sous l’effet de
la contrainte lithostatique
David Picard, Dominique Leguillon, Claude Putot
To cite this version:
David Picard, Dominique Leguillon, Claude Putot. Développement des fractures géologiques sous
l’effet de la contrainte lithostatique. 7e colloque national en calcul des structures, CSMA, May 2005,
Giens, France. �hal-01813066�
Nom de la revue. Volume X – n° X/2001, pages 1 à X
sous l'effet de la contrainte lithostatique
David Picard*,** — Dominique Leguillon**
— Claude Putot*
*
Institut Français du Pétrole, Direction Mécanique Appliquée. 1 et 4 avenue de Bois-Préau, 92852 Cedex France**Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS UMR 7607. France. Université Paris VI, tour 55, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05 France
RÉSUMÉ. En géologie pétrolière, il est important, notamment pour caractériser les écoulements de fluide en cours de production, de connaître les mécanismes ayant conduit à des réservoirs naturellement fracturés. La présence de zones de fracturation intense comme les couloirs de fracturation, par exemple, risque d’avoir un effet très surprenant sur la production ou l’étanchéité des couvertures. En outre, dans les zones stratifiées, alternant bancs et interbancs, la présence de diaclases majeures (persistantes) peut aussi constituer un
chemin privilégié à l'écoulement du fluide. L'optimisation de la production pétrolière
nécessite une meilleure caractérisation des réservoirs fracturés. Cet objectif passe en fait par la résolution de questions importantes :
Quels sont les éléments déterminant la continuité d’une diaclase à travers la stratification, son degré de "persistance"? Comment une diaclase ordinaire (limitée à un banc) devient-elle une diaclase majeure – traversant une bonne partie de la formation?
Comment expliquer le développement vertical des couloirs de fracturation dont l'extension
semble ignorer les alternances lithologiques?
ABSTRACT. In petroleum geology, it is important to understand the factors that contribute to the success of oil recovery. In particular, describing mechanisms leading to naturally fractured reservoirs is proved to be essential. As a matter of fact, a high density of fractures such as fracture swarms may have an impact on the production or the caprock integrity where the loss of fluid through barrier formations has to be reduced to a minimum. Moreover, the connectivity of the joint network at mechanical interbedding in reservoirs might be determinant. The optimisation of the oil production requires a better characterisation of naturally fractured reservoirs.
We consider systematic joint arranged in an homogeneous way; joint spacing is linked to individual bedding thickness with propagation frequently interrupted by stratigraphic interfaces.
MOTS-CLÉS : Rupture fragile, couches sédimentaires, diaclases, couloirs de fracturation, approches asymptotique et numérique.
KEYWORDS: Brittle fracture, bedded sedimentary rock, joints, fracture swarms, asymptotic and numerical methods.
1. Introduction
En excluant les failles, discontinuités jouant plutôt en cisaillement, on peut trouver différents types de fractures dans les alternances lithologiques :
des diaclases : fissures simples traversant les bancs (Fig 1).
des couloirs de fracturation : zone d'intensification de la densité de fractures parallèles (Fig 2).
La propagation des fissures dans leur plan est généralement expliquée par un chargement orthogonal, traction au loin s'exerçant horizontalement, sollicitant la fissure en mode d'ouverture (mode I). La fracturation naturelle des couches géologiques nous incite à reconsidérer ce type de chargement.
En effet, on constate que le mode I, traction effective au loin résultant d'une pression de pore anormale s'opposant à la pression latérale des terrains, ne peut pas être le seul facteur responsable de l'activation et la propagation des fissures. Nous montrons dans cette étude, que la contrainte lithostatique, résultant du poids des terrains, peut également engendrer une fissuration verticale.
Une analyse est effectuée par développements asymptotiques à l'aide d'une approche à deux échelles, l'épaisseur e des interbancs dans le cas des diaclases et l'épaisseur c du couloir dans l'autre cas jouant le rôle de petit paramètre. Les mécanismes d'amorçage sont étudiés au moyen d'un critère de rupture incrémental assurant la validation simultanée d'un critère en contrainte et d'un critère en énergie
c c G≥G ≥σ ,
σ .
Une meilleure compréhension de la propagation de ces fractures est nécessaire pour mieux appréhender les circulations de fluide qui peuvent suivant les cas améliorer ou pénaliser les conditions de récupération du pétrole.
2. Les diaclases
L’affleurement (Fig 1) présente un empilement de couches gréseuses intercalées par des interbancs argileux (bandes noires). Un examen attentif révèle trois types de
comportements de la fissure au passage de l'interbanc argileux.
La fissure s'arrête dès qu'elle entre en contact avec l'interbanc argileux.
La fissure traverse l'interbanc argileux.
La fissure s'arrête à l'interbanc et s'amorce dans le grès supérieur avec un décalage
de l'ordre de l'épaisseur de l'interbanc. On appelle Step-over cette propagation
discontinue.
L'objectif est de déterminer le mécanisme de fissuration pertinent pour une
géométrie donnée, à caractéristiques de comportement fixées - à la fois élastiques
(module d'Young, coefficient de Poisson) et à la rupture (ténacité, contrainte à
rupture) - et pour le chargement supposé.
Antérieurement à tout mécanisme d'amorçage de la fissure principale lorsque celle
ci se retrouve en contact avec l'interbanc, le problème se ramène à la résolution d'un
problème d'élasticité posé sur Ωe (Fig 3). Le chargement est bidimensionnel avec
une contrainte verticale effective prépondérante T due aux poids des sédiments, une
contrainte horizontale σt effective, d'évaluation plus incertaine, variant
notablement selon la pression interstitielle. Le champ de déplacement U solutione
de ce problème doit vérifier à l'équilibre le système d'équations habituel (relation
d'équilibre, loi de comportement élastique, relation de compatibilité et conditions
limites). Prendre en compte simultanément la petitesse relative de l'intercalation
argileuse, traduite par le rapport
a e
, et la singularité de la fissure ne sont pas chose
aisée. Afin de simplifier la résolution du problème réel posé sur Ωe, on le scinde en
deux problèmes communément appelés extérieur et intérieur (Fig 3).
Figure 3. Schémas des domaines extérieur (Ωext
) et intérieur (Ωint
)
Problème réel posé sur Ωe
a a
Problème extérieur posé sur Ωext
1
Problème intérieur posé sur Ωin
a e a e → 0 0 e , " e 1 "× →
x
x
x1 x2 y1 y2 2 2 y 2 1 y e r 2 2 x 2 1 x r e i x i y + = = + = =2.1. Le problème extérieur (domaine extérieur : Ωext
)
Le problème extérieur ignore l'interbanc d'épaisseur e et considère une séparation
immatérielle (e tendant vers 0). Le problème à résoudre se ramène à l'étude d'une
fissure, de longueur a, dans un milieu homogène. La solution du problème extérieur
posé sur Ωext, reflet de la solution du problème réel pour un observateur lointain où
l'interbanc argileux n'apparaît pas, constitue une approximation satisfaisante de Ue
dès qu'on s'éloigne de l'interbanc d'où sa désignation d'extérieure.
La solution en déplacement de ce problème, au voisinage de la pointe de fissure, est connue sous le nom de développement en série de Williams (1956).
Se réduisant au cas d'un chargement n'entraînant qu'un mode d'ouverture, le
développement dit extérieur s'écrit :
(
x1,x2)
=U( ) ( )
r,θ =U 0 +K ru( )
θ +Trt( )
θ +... Ue e I I( )
( )
( )
( )
) singulière non contrainte aussi (appelée e n vertical compressio fissure la de ouverture d' mode au relatif contrainte de intensité d' facteur e n vertical compressio la à lié t déplacemen de champ fissure la de ouverture d' mode au lié t déplacemen de champ fissure la de ouverture d' mode au lié t déplacemen de champ rigide corps de on translati la à lié rigide corps de t déplacemen de champ 0 T K t u u U I I I θ θ θCette information est incomplète, en particulier quand on s'intéresse à des
mécanismes de rupture d'où la nécessité d'une description plus fine donnant le
problème intérieur, véritable loupe du problème réel au voisinage direct de
l'interbanc.
2.2. Le problème intérieur (domaine intérieur : Ωin
)
Le problème intérieur (Fig 3), dilatation du problème réel, s'obtient en
multipliant les longueurs et les déplacements par 1/e et en faisant tendre e vers 0.
On obtient alors un domaine non borné Ωin
dans lequel l'épaisseur de l'interbanc est
dilatée à 1 et la fissure de longueur infinie. On cherche alors une autre
représentation de la solution sous la forme d'un développement dit intérieur (en
champ proche). La résolution de celui-ci, s'effectue dans le plan (0,y1,y2)
homothétique de (0,x1,x2).
On postule que le champ de déplacement s'écrit sous la forme suivante
(développement intérieur avec lim (Fi+1(e)/Fi(e))→0 lorsque r →0) :
(
x1,x2)
=U(
ey1,ey2)
=F0( ) (
eV0 y1,y2) ( ) (
+F1 eV1 y1,y2)
+F2( ) (
eV2 y1,y2)
+...2.3. Le raccordement
Le comportement du développement extérieur en approchant de l'origine 0 doit
coïncider avec le comportement du développement intérieur en s'éloignant de
l'origine. En d'autres termes, il doit exister une zone intermédiaire (proche de
l'origine dans le champ lointain et lointaine dans le champ proche) où les deux
développements sont équivalents. Une identification terme à terme, ordonnée par les puissances de e entre le développement extérieur et intérieur conduit à :
( )
( )
( )
( )
( )
ρ( )
θ θ ρ t y y V Te e F u y y V e K e F cte U y y V e F I I ≈ = ≈ = = = = ) , ( ) , ( 0 ) , ( 1 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 0 0En définitive, on obtient les champs de déplacement et de contrainte résultants :
(
)
(
)
(
)
(
,)
~(
(
,)
)
~(
(
,)
)
... ... , , , 2 1 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 1 0 2 1 + + = + + + = y y V T y y V e K x x y y V Te y y V e K V x x U y y I e I e σ σ σEn somme, le problème se ramène à la résolution de deux problèmes d'élasticité
indépendants permettant de déduire les champs de déplacement V1
(
y1, y2)
et(
1 2)
2
, y
y
V , et les champs de contraintes associés ~
(
V1(
y1,y2)
)
y σ et
(
)
(
1 2)
2 , ~ V y y yσ , respectivement induits par le chargement ``singulier'' KI du
premier ordre et le chargement T résultant d'un effet ``structure'' du second ordre
activant également la pointe de fissure.
La résolution numérique s'effectue en traçant une frontière fictive Γ∞ au domaine
Ωin, sur laquelle on impose les conditions de Dirichlet :
( )
et ( , )( )
) , ( 1 2 2 1 2 1 ∞ Γ = = u V y y t sur y y V ρ I θ ρ θDans la modélisation, le rayon intérieur choisi est suffisamment grand pour être
considéré comme très loin de la pointe de fissure (ρ =100).
Les champs V et i
( )
iyV
σ~ dépendent uniquement des propriétés matériaux de
l'argile et du grès (module d'Young E et coefficient de Poisson ν). Le chargement
n'intervient que par l'intermédiaire des coefficients KI et T apparaissant dans
l'expression du champ de contrainte réel.
2.4. Détermination des domaines de rupture
Le critère en énergie repose sur le principe de la conservation de l'énergie entre
un état initial en équilibre et un état ultérieur incluant dans sa géométrie une
0 = + + W G l Wp δ k c δ p W
δ et δWkcorrespondent aux variations de l'énergie potentielle et de l'énergie
cinétique. La longueur de la fissure nouvellement créée est notée l et Gc est la
ténacité. La variation d'énergie potentielle entre la situation initiale et la situation
perturbée, avec apparition d'un incrément de fissure (longueur finie non
infinitésimale) de longueur l dans le problème extérieur, respectivement µ dans le
problème intérieur (µ = λ/e) s'écrit :
( ) ( )
[
0]
2 2[
( ) ( )
0]
3/2[
( ) ( )
0]
2 ε µ ε χ µ χ κ µ κ δ = − + − + − − Wp KIe T e KITe( )
µκ
,
χ( )
µet
ε( )
µsont respectivement les contributions énergétiques liées à
1
V
,
V et au couplage de 2 V et1 V2.
Supposant la configuration de départ statique, nécessairement δWk ≥0 (l'énergie
cinétique ne peut que s'accroître), une condition nécessaire de rupture peut être
déduite de la relation suivante, qui a un caractère incrémental : p Gc
l W
≥ −δ
G, appelé ici taux de restitution d'énergie incrémental, généralise le taux de
restitution d'énergie classique (Griffith) dont la forme infinitésimale, plus
restrictive, peut parfois conduire à certaines contradictions.
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
− + − + − = − = µ χ µ χ µ ε µ ε µ µ κ µ κ µ δ 2 0 2 0 m m K e W G p I[1]
avec a e T K e T m t I 5σ = =Le critère en contrainte s'appuie sur l'existence d'une traction critique σc qu'un
matériau peut supporter avant de se rompre (σ ≥σc). Cette condition constitue une
seconde condition nécessaire de rupture :
(
)
y(
(
)
)
y(
(
)
)
c I e y y V T y y V e K x x σ σ σ σ 1, 2 = ~ 1 1, 2 + ~ 2 1, 2 +...≥[2]
La validation simultanée des deux critères de rupture (G=Gc,σ =σc) permet de
déterminer la longueur incrémentale d'amorçage de la fissure pour un chargement et
une géométrie donnés à caractéristique matériau fixée. Il est alors possible
d'exprimer les résultats sous la forme de cartes de mécanisme de rupture dans un
graphique (σt, T) où apparaissent les zones d'activation du Step-over, de la
pénétration et de l'arrêt (Fig 4).
Les courbes, exprimées en fonction de
σ
t et T, vérifient simultanément les deuxrecouvrement, c'est le critère qui provoque la plus grande décroissance de l'énergie
potentielle qui l'emporte (critère de Lawn).
Dans tous les cas, le mode I induit par une traction effective (donc positive), composante singulière, facilite les mécanismes de rupture. En revanche le rôle de la composante structure T, résultant du poids des terrains, évolue en fonction du contraste matériaux (banc/interbanc) considéré.
Vis-à-vis de T, pour un interbanc argileux plus souple que le grès adjacent, le
Step-over est facilité et la pénétration contrariée. Au contraire, dans le cas d'un interbanc
argileux plus raide que le grès encaissant, la pénétration est facilitée aux dépens du Step-over.
Figure 4. Carte des mécanismes
Pour un contraste de module d'Young donné, la méthode d'analyse permet de faire
les calculs numériques une et une seule fois. Le chargement et la géométrie interviennent en tant que paramètres dans les expressions analytiques ([1], [2]).
3. Les couloirs de fracturation
Les couloirs de fracturation apparaissent comme une zone d'intensification de la
densité de fractures parallèles; pour les besoins de l'analyse on l'assimile à une zone
de largeur finie (Fig 5).
La propagation verticale des couloirs nécessite d'envisager deux types de
configuration. Dans un cas, les fissures constituant la zone couloir peuvent être très
proches les unes des autres mais bien individualisées. Dans l'autre cas, l'état de
fracturation à l'intérieur du couloir est suffisamment intense pour être considéré
comme une zone endommagée. Dans les deux situations, la zone de fracturation a une certaine largeur, la longueur étant fréquemment indéterminée.
Dans le cas des fissures distinctes, le mode I peut activer une fissure parmi les autres
dont la propagation éventuelle neutralise l'amorçage des fissures voisines.
-150 -130 -110 -90 -70 -50 -30 -10 0 0,5 1 σt (MPa)1,5 2 2,5 3 3,5 T MPa -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 σt (MPa) T (MPa) Pénétration directe Step-over Arrêt Arrêt Eargile/Egrès=0.25 a/e=5 Grès : σc= 3MPa,Gc=80J/m 2 Argile : σc= 0.75MPa, Gc= 20J/m 2 Eargile/Egrès= 2 a/e=5 Grès : σc= 3MPa, Gc= 80J/m 2 Argile : σc= 6MPa, Gc= 160J/m 2 pénétration directe
La compression T est parallèle à l'axe des fissures. Par conséquent, T ne génère aucune intensification des contraintes en pointe de fissure. Tout amorçage est exclu. Le couloir apparenté à une zone endommagée apparaît comme une sorte de "large"
fissure émoussée. C'est l'épaisseur c du couloir qui joue maintenant le rôle de petit
paramètre vis-à-vis de la structure étudiée. L'existence des interbancs est pour le
moment négligée.
A l'instar de l'étude précédente, le raccordement entre le développement extérieur et
intérieur (Fig 5) conduit à:
(
x1,x2)
=V0 +K cV1(
y1,y2)
+TcV2(
y1,y2)
+...
Uc I
Avec V0 =U
( )
0 (translation de corps rigide). V et 1 V sont solutions d'2 unproblème d'élasticité bien posé avec les conditions limites suivantes :
(
)
(
)
(
)
( )
(
)
(
)
(
)
≈( )
→∞ Γ = ∞ → ≈ Γ = y t y y V sur n y y V y u y y V sur n y y V c j ij I c j ij , 0 , ~ , 0 , ~ 2 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1 1 θ ρ σ θ ρ σFigure 5. Schémas des domaines extérieur Ωext
et intérieur Ωin
Concernant le problème en V la résolution numérique s'1 effectue en imposant une
frontière fictive Γ∞ au domaine Ωin
, sur laquelle on impose la condition de Dirichlet : V1
(
y1,y2)
= ρuI( )
θ .Problème extérieur posé sur Ωext
(xi, r, θ) 1 y1 y2 ρ=0.5 Γc 0 x1 x2 c → 0 × 1/c → 0
Problème réel posé sur Ωc
(xi, r, θ)
0
r
c
Problème intérieur non borné posé sur Ωin
Cependant, afin d’assurer la condition en effort sur Γc et satisfaire la condition à
l'infini, le champ de déplacement V se décompose en un champ de déplacement2
issue d'une force, du type Flamand-Boussinesq, assurant une résultante des efforts
nulle sur Γc. La force induite est moteur de la propagation. L'autre contribution
assure la condition à l'infini.
En somme, le champ de déplacement V s'2 écrit :
(
)
(
( )
)
(
1 2)
2 2 2 2 1 2 , ˆˆ log ,y X e v V y y y V = ρ + θ + avec : Vˆˆ(
y1,y2)
≈0 y →∞ 2(
)
(
(
( )
)
)
(
( )
)
0 0 ~ log ~ 0 , ˆˆ ~ 2 2 2 1 2 = → ∫ Γ + +∫Γ + → ∫ Γ
c ij j c ij j cσij V y y njds σ X ρe v θ n ds σ ρtθ n ds Au final :(
,) ( )
0(
,)
(
log( )
)
ˆˆ(
1, 2)
... 2 2 2 2 1 1 2 1 cy =U +K cV y y +Tc
X e +v +V y y
+ cy Uc I ρ θ 3.1. Propagation du couloirDans ce cas, sous réserve de la validation du critère en énergie, une condition de
propagation se substitue à la condition d'amorçage. Une fois réalisée, cette condition
conduit à un mécanisme auto-entretenu. Cependant, contrairement au cas d'une
fissure classique ("fine''), la condition de propagation dépend d'une ténacité
apparente
G
capp issue d'une force Hc, fonction de l'endommagement de la zonecouloir.
G
H
cc
app
c
=
.La variation d'énergie entre la situation initiale et la situation perturbée conduit à :
( ) ( )
[
0]
2 2[
( ) ( )
0]
2 χ µ χ κ µ κ δ = − + − − Wp KIc T cL'amorçage a lieu si : −δWp ≥Hclc avec l =µ c2⇒
( ) ( )
[
]
[
( ) ( )
]
app c I T c G K − + − ≥ µ χ µ χ µ κ µ κ 0 2 0 2De plus, dans le cas particulier homogène, E=1GPa et ν=0.3, on montre que :
( ) ( )
[
]
E 2 1 0 ν µ κ µ κ − = − et[
( ) ( )
]
E
44
.
0
0
=
−
µ
χ
µ
χ
(Fig 6)Au final, la condition de propagation se réduit à : I Gcapp
E c T E K 1− + 2 0.44 ≥ 2 2 ν
Plus l'épaisseur c du couloir est importante plus la condition de propagation est
En revanche, lorsque l'épaisseur du couloir devient nulle (c → 0), on se ramène au
cas d'une fissure en milieu homogène. La compression verticale, qui ne "voit" plus
la fissure, n'a plus aucune influence sur la propagation.
Dans ce cas : I Gc
E
K − ≥
2 21 ν
3.2. Amorçage d'une fissure
Dans ce cas, la propagation du couloir n'est pas envisagée. En effet, le chargement
peut créer localement un champ de contrainte susceptible d'amorcer une fissure
parmi les autres dont l'éventuelle propagation empêcherait le développement des
autres fissures.
La variation d'énergie potentielle entre la situation initiale et la situation perturbée
incluant dans sa géométrie l'apparition d'un incrément de fissure de longueur l dans
le problème extérieur, respectivement µ=l/e dans le problème intérieur, conduit à :
( ) ( )
[
’ ’0]
2 2[
’( ) ( )
’0]
2 κ µ κ χ µ χ
δ = − + −
− Wp KIc T c
L'amorçage a lieu si : −δWp ≥Gcl.
G
c étant la ténacité usuelle.On en déduit, la condition d'amorçage :
( ) ( )
[
]
[
( ) ( )
]
c I T c G K G= − + − ≥ µ χ µ χ µ κ µ κ’ ’0 2 ’ ’0 2 . (Fig 6)Cette condition d'amorçage n'est pas à elle seule une condition de rupture suffisante
et nécessite également la validation du critère en contrainte :
(
)
y(
(
)
)
y(
(
)
)
c I c y y V T y y V c K x x σ σ σ σ = + 1 2 ≥ 2 2 1 1 2 1, ~ , ~ , (Fig 7) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 µ [f(µ)-f(0)]/µ Chargement KI_Propagation du couloir [Κ(µ)−Κ(0)]/µ=(1−ν2)/E=0,91 _Amorçage fissure [Κ'(µ)−Κ'(0)]/µ
Chargement T
_Propagation du couloir [χ(µ)−χ(0)]/µ=0,44/E _Amorçage fissure [χ'(µ)−χ'(0)]/µ
Figure 6. Contribution énergétique
Figure 7. Champ de contrainte en front de fissure émoussée induit par KI et T
Pareillement à la situation du couloir se reproduisant à l'identique (propagation),
lorsque l'épaisseur c du couloir tend vers 0 la compression verticale n'a aucun effet
sur l'amorçage. Cependant, dans le cas du chargement KI, on remarque que plus la
longueur d'amorçage est importante plus on se rapproche du taux de restitution
d'énergie du couloir (et donc d'une fissure en milieu homogène) (Fig 6).
Le champ de contrainte intérieur
σ
~
22 (< 0) induit par la compression T (<0) a unecontribution positive en faveur de la rupture (Fig 7). En revanche, indépendamment de la satisfaction du critère en contrainte, déterminant une borne supérieure des incréments de longueur admissible, le champ de contrainte intérieur issu de T
montre qu'il existe un majorant des longueurs admissibles. Ce majorant µm,
dépendant des propriétés matériaux (E, ν), se distingue de la longueur critique µc,
dépendant des propriétés à la rupture, satisfaisant σ=σc et G=Gc (µc < µm).
Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour envisager un mécanisme
de compétition entre la propagation du couloir à l'identique et l'amorçage d'une
-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
µ
σ
22 T KI~
fissure en front de ce dernier. Ce travail passe par la détermination explicite de la
ténacité apparente
G
capp et donc Hc, donnée intrinsèque au matériau.Bibliographie
[1] Hashin, Z., 1996. Finite thermoelastic fracture with application to laminate cracking analysis. J. Mech. Phys. Solids 44(7), 1129-1145.
[2] Leguillon, D., 2002. Strength or toughness? A criterion for crack onset at a notch. Eur. J. of Mechanics A/solids, 21, 61-72.
[3] Picard, D., 2004. Modèle de représentation mécanique de la formation des fractures naturelles dans les réservoirs pétroliers (thèse en cours).
[4] Leguillon, D.; Sanchez-Palencia, E.; 1990. Approximation of two dimensional problem of junctions. Computational Mechanisms, 6, 435-455.