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Thèse Année : 2019

Numerical approaches to model and monitor geomechanical reservoir integrity

Approches numériques pour modéliser et monitorer l'intégrité géomécanique des reservoirs

Résumé

The emergence of new ideas to obtain energy from the earth subsurface and to store radioactive waste on it impels us to further investigate the response of geological media to forces and temperature variations. For instance, injection of water into wells at high pressures to create fractures and increase permeability of rocks is a widely employed technique to enhance geothermal systems or gas reservoirs. Therefore, increasing our understand- ing about how such actions influence and are affected by the local stress state of the reservoir and how fractures propagate through it is necessary to efficiently develop extraction projects and, hopefully, to avoid undesired side effects. Also, placing nuclear waste in repositories below the surface monitored by acoustic transmission of seismic signals is currently under investigation. Whe- reby, an optimal knowledge about how the heterogeneity of the medium and its changes are reflected on the seismic waves is necessary for the correct interpretation of the collected signals. The physics involving these geological processes can be approximately expressed in a mathematical way through the laws of physics and the constitutive relationship of materials deriving in a set of partial differential equation whose complexity depends on the adopted physical model and the rheology of materials to be modelled. As, in most cases, the governing equations are not susceptible to analytical solutions, efficient numerical methods and software are required to simulate realistic problems. We present, by a compilation of current theories, a general mathematical model describing the physics of poro-visco-elasto-plastic geological media. On the one hand, we present a computational massively-parallel 3D code to model fluid injection and crack propagation in poro-visco-elastoplastic rheologies. We reproduce existing 2D benchmarks and give some examples of 3D cases. The results show the importance of the initial stress conditions on the development of failure zones and give a generalization of failure patterns generated from a local increase of pore pressure. Further- more, we perform simulations of hydraulic fracturing for Well KM-8, UK, showing the significant influence of the permeability of rocks and its changes after fracturing on the development of failure areas. On the other hand, we use the wave propagation software Sofi2D to simulate the seismic monitoring of a deep circular backfilled tunnel with the aim of increasing our ability to understand path effects and, therefore, to infer the situation inside a nuclear waste repository over time. We apply our results on the Full-Scale Emplacement Experiment at the Mont Terri underground rock laboratory.
L’émergence de nouvelles idées pour tirer de l’énergie du sous-sol terrestre et y stocker des déchets radioactifs nous incite à étudier plus avant la réponse des milieux géologiques aux forces et aux variations de température. Par exemple, l’injection d’eau dans des puits à haute pression pour créer des fractures et augmenter la perméabilité des roches est une technique largement utilisée pour améliorer les systèmes géothermiques ou les réservoirs de gaz. Par conséquent, il est nécessaire de mieux comprendre comment de telles actions influencent et sont affectées par l'état de stress local du réservoir et par la propagation des fractures afin de développer efficacement des projets d'extraction et, espérons-le, d'éviter des effets secondaires indésirables. Des recherches sont aussi en cours pour placer les déchets nucléaires dans des dépôts sous la surface surveillés par transmission acoustique de signaux sismiques. Une connaissance optimale de la manière dont l'hétérogénéité du milieu et ses changements se reflètent sur les ondes sismiques est nécessaire pour une interprétation correcte des signaux collectés. La physique impliquant ces processus géologiques peut être exprimée approximativement de manière mathématique à travers les lois de la physique et la relation constitutive des matériaux dans un ensemble d’équations différentielles partielles dont la complexité dépend du modèle physique adopté et de la rhéologie des matériaux à modéliser. Comme, dans la plupart des cas, les équations qui régissent ne sont pas sujettes à des solutions analytiques, des méthodes et des logiciels numériques efficaces sont nécessaires pour simuler des problèmes réalistes. Nous présentons, à partir d'une compilation de théories actuelles, un modèle mathématique général décrivant la physique des milieux géologiques poro-visco-élastoplastiques. D'une part, nous présentons un code 3D massivement parallèle calculateur pour modéliser l'injection de fluide et la propagation de fissure dans les rhéologies poro-visco-élastoplastiques. Nous reproduisons des références 2D existantes et donnons quelques exemples de cas 3D. Les résultats montrent l'importance des conditions de stress initiales sur le développement de zones de rupture et donnent une généralisation des profils de rupture générés par une augmentation locale de la pression interstitielle. En outre, nous effectuons des simulations de fracturation hydraulique pour le puits KM-8, au Royaume-Uni, montrant l’influence significative de la perméabilité des roches et de ses modifications après la fracturation sur le développement des zones de rupture. D'autre part, nous utilisons le logiciel de propagation des ondes Sofi2D pour simuler la surveillance sismique d'un tunnel profondément remblayé et circulaire dans le but d'accroître notre capacité à comprendre les effets de trajectoire et, par conséquent, à déduire la situation à long terme dans un dépôt de déchets nucléaires. Nous appliquons nos résultats à l’Expérience sur la mise en place à grande échelle au laboratoire de roche souterraine du Mont Terri.
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tel-02155720 , version 1 (17-06-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02155720 , version 1

Citer

Beatriz Martinez Montesinos. Numerical approaches to model and monitor geomechanical reservoir integrity. Geophysics [physics.geo-ph]. Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02155720⟩
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