Academic literature on the topic 'Fracturation hydraulique. Roches'

L'effet mécanique des forces de succion, forces exercées par un fluide qui se déplace dans un milieu poreux, a été étudié dans le cadre de la fracturation hydraulique des roches de la croûte terrestre. Cet effet a été étudié par des méthodes analytiques issues de la mécanique des milieux continus, et par des simulations numériques. Ces forces de succion sont des forces de frottement causées par des gradients de pression fluide dans les milieux poreux. Différents modes de fracturation (bandes de cisaillement localisées, fractures en mode I) causés par une augmentation localisée de la pression fluide dans la croûte ont été reproduits dans un milieu poro-élastique grâce à plusieurs codes numériques spécialement développés à cet effet. La valeur de la pression fluide lors de la nucléation de la fracturation est aussi prédite à l'aide d'une nouvelle solution analytique. <br />Dans la solution analytique, une cavité elliptique dans un solide poreux est remplie avec un fluide à une pression non-hydrostatique. On considère aussi que le milieu poreux est soumis à un champ de contrainte externe. Puisque la pression du fluide dans la cavité est différente de la pression de pore dans la roche; le couplage poro-élastique est pris en compte dans le calcul des déformations. A partir de la théorie de Griffith qui donne une condition pour la propagation d'une fracture, et en utilisant la solution analytique obtenue, une équation généralisée a été obtenue pour la contrainte effective dans le milieu. Cette nouvelle loi décrit la fracturation dans un milieu poreux saturé avec un fluide, et dans lequel la distribution de pression fluide n'est pas homogène.

De nombreuses applications en genie civil sont mises en uvre dans des massifs rocheux, notre travail concerne l'etude de leur comportement hydromecanique. Ces massifs peuvent presenter des defauts de differentes tailles. Ils peuvent contenir d'une part des fractures naturelles de plusieurs metres ou plus et d'autre part, des microfissures induites par la perturbation du champ de contraintes due a la construction de l'ouvrage. Ainsi, la description de leur comportement passe par une description precise du comportement de la fracture rocheuse et de celui de la matrice rocheuse microfissuree. La theorie generale de poroelasticite de biot est alors generalisee et deux modeles, l'un caracterisant le comportement de la fracture et l'autre decrivant le comportement de la matrice rocheuse, sont ici presentes. En effet, si la description mecanique d'une fracture rocheuse semble maitrisee, la modelisation hydromecanique reste a completer<br>Un modele poromecanique est alors propose en considerant la fracture comme un ensemble de vides entre deux surfaces rugueuses, la performance du modele est discutee a travers la comparaison entre des resultats experimentaux et les simulations numeriques. Le modele est implante dans un code de calculs par elements finis : un element joint specifique est utilise pour decrire les echanges entre la matrice rocheuse et la fracture, quelques exemples numeriques sont presentes. Pour la matrice rocheuse, la plupart des modeles concernent les materiaux fragiles secs, peu de travaux sont consacres a la modelisation du comportement de la matrice rocheuse saturee microfissuree. Un modele poroelastique d'endommagement est alors propose. L'accent est mis sur la description des consequences principales de l'endommagement sur les proprietes poroelastiques du materiau poreux fragile. Ce modele est teste a travers la comparaison entre des resultats experimentaux et les simulations numeriques

Les recherches présentées dans ce mémoire concernent l'étude expérimentale et la modélisation du couplage hydromécanique de joints rocheux. Ce travail peut être décomposé en trois parties. La première partie consiste en la présentation du dispositif expérimental conçu et réalisé au sein du laboratoire de mécanique de Lille. Ce montage nous a permis de travailler sur le comportement hydromécanique d'un joint isolé, très ferme et sous sollicitations normales. L'avantage de notre dispositif par rapport aux montages existants est de connaître l'évolution et la distribution de la pression interstitielle dans le joint. La deuxième étape aborde la présentation des résultats expérimentaux sur trois types de joints rocheux : granite, marbre et schiste. Les résultats obtenus ont permis de déterminer : l'évolution de l'épaisseur de joints, les forces appliquées sur les surfaces des joints durant l'écoulement, l'influence de l'écoulement sur l'ouverture du joint et enfin, de présenter un concept de la pression effective plus adapté aux joints rocheux. Dans la troisième étape, nous avons proposé d'une part une modélisation du couplage hydromécanique sous contrainte et pression interstitielle constante, et d'autre part une modélisation du couplage hydromécanique sous contrainte normale et gradient hydraulique. D'après ces modèles nous avons pu mettre en évidence la non-linéarité des courbes de perte de charge hydraulique due à la variation de l'ouverture et la surface en contact.

Dans des conditions homogenes de climat, de topographie et de mise en valeur, les sols calcimagnesiques superficiels des plateaux jurassiens presentent d'importantes variations des taux organiques. L'objectif des travaux presentes est de rechercher les modalites et les mecanismes impliques dans l'elaboration des stocks organiques. Les sols humocalciques et bruns a pellicules calcaires constituent des modeles remarquables en raison de l'ample variation du caractere humifere. Le fonctionnement des deux sols serait determine par l'intensite des flux hydriques et de matiere traversant les sols. Cette dynamique et les interactions avec le milieu conditionneraient la regulation des stocks humiques en milieu calcique. Dans ces systemes de subsurface, nous avons demontre que le calcium, d'un niveau partout eleve, n'etait pas seul en cause, mais que la fissuration des roches joue un role fondamental. Le mode de debit des bancs, variable d'un endroit a l'autre du plateau, est lie a la densite de structures paleoecologiques et tectoniques. Dans ce contexte, nous avons montre qu'il existe une correlation stricte entre le caractere plus ou moins humifere et le degre de fracturation des roches. La fissuration des roches determine l'intensite de la circulation de l'eau gravitaire. Mesurees in situ les valeurs de conductivites hydrauliques rendent compte du caractere drainant et hyperdrainant de ces systemes de subsurfaces. Ces differences dans le drainage profond, en retentissant sur le regime hydrique, agissent sur l'organisation des sols, les conditions pedoclimatiques et le cycle geochimique du calcium. En raison de leur caractere cyclique, journalier ou saisonnier, les flux hydriques se repercutent sur les associations vegetales, l'enracinement et l'activite biologique. Une interaction entre l'activite rhizospherique et le regime hydrique est propose pour expliquer la stabilisation precoce par le calcium des compose

Un modele original d'endommagement anisotrope non visqueux a ete completement developpe. Ce modele, utilisant une seule variable interne d'endommagement (tenseur d'ordre 2) et ne necessitant d'identification que de 7 constantes caracteristiques du materiau, permet notamment de rendre compte de maniere satisfaisante de l'anisotropie induire par la mesofissuration des roches fragiles. Une methode des e. F. Non conformes du type de celle proposee par ortiz et coll. Basee sur le principe variationnel mixte d'hellinger-reissner et incluant les conditions cinematiques liees a la localisation (au sens de rice) a ete ensuite appliquee a des structures elastiques-endommageables. Cette methode des e. F. Modifiee permet de reduire largement la dependance des resultats vis-a-vis du maillage et de simuler correctement les zones de localisation de la deformation et de l'endommagement. Couplee au modele elastique-endommageable a anisotropie induite, cette methode des e. F. Mixte permet l'etude qualitative de la transition d'une region de deterioration diffuse a celui d'une deterioration localisee. Cette localisation de l'endommagement pouvant etre percue comme un phenomene precurseur voire concomitant de la macrofissuration, cet outil numerique (modele elastique-endommageable et m. E. F. Mixte) peut finalement etre applique a la prevision de la fissuration dans des structures complexes telles que des puits de forages

La 1 re partie de cette thèse présent une étude de la géométrie de surfaces rugueuses obtenues en laboratoire par fracturation de blocs de granite et de grès. Ces surfaces sont enregistrées à l'aide d'un rugosimètre à mesure mécanique et optique, développé pour cet usage. Les enregistrements sont bien décrits par un modèle auto-affine isotrope. La persistance des corrélations spatiales est sensiblement moins importante pour le grès que pour le granite. Dans un 2 e partie , on étudie comment l'écoulement à travers une fracture ouverte est influencé par la rugosité de ses parois, lorsque les effets inertiels peuvent être négligés. Une étude expérimentale met en évidence une sensibilité importante de la perméabilité de la fracture vis-à-vis de l'orientation du gradient de pression effectif. Un modèle numérique confirme ces observations, et permet d'interpréter cette " anisotropie " hydraulique en termes de chenalisation de l'écoulement. .<br>The first part of this thesis addresses a study of the geometry of rough fractures that have been obtained through controlled fracturing of granite and sandstone blocks. The surfaces are recorded using a specially deviced profiler, which allows mechanical and optical measurement. The recordings are well described by an isotropic self-affine model. The persistence of the correlations is significantly smaller for sandstone than it is for granite. In a second part, we study how the flow through a rough fracture is influenced by the roughness of the fracture walls, when inertial effects can be neglected. An experimental setup allows to observe a significant dependence of the of the fracture permeability on the orientation of the effective pressure gradient. A numerical model confirms these observations, and allows to interpret this " hydraulic anisotropy " in terms of flow channeling. Channeling is controlled by large scale heterogeneities in the aperture field; the importance of theseheterogeneities is greatly dependent on the matching of the two walls at large scales. .

Les formations géologiques argileuses présentent des propriétés potentiellement favorables pour le confinement des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue (faible perméabilité et rétention des radioéléments). Mais ces propriétés peuvent être altérées par la présence de discontinuités dans le milieu. C'est pourquoi, la caractérisation des modalités de transferts de fluide associées à la fracturation s'est avérée nécessaire dans le cadre du programme de recherche Tournemire, lancé par l'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire (IPSN), dont l'objet d'étude est une épaisse série d'argilites d'âge Toarcien, localisée sur la commune de Tournemire (Aveyron, France). Dans un premier temps, la chronologie de la déformation du secteur de Tournemire a été mise en évidence par l'analyse microtectonique et microstructurale. Les principales étapes de la construction et de l'évolution du réseau de fractures affectant les argilites ont ainsi été reconstituées. L'analyse microstructurale des remplissages des fractures a révélé que celles ci ont été étanches, perméables ou encore semi-perméables au cours des différents événements tectoniques. On met en évidence que ces divers états hydrauliques sont fonction de la nature et de l'architecture des zones déformées en relation avec les modifications pétrophysiques des argilites, dans les zones centrales et les zones de dommage des fractures. Les mécanismes qui contrôlent les variations de perméabilité au sein des zones de fractures sont discutés et certains paramètres, comme les magnitudes de différentiel de contraintes, ont été estimés grâce à l'analyse des macles des cristaux de calcite contenus dans les zones centrales des fractures. L'analyse du maclage a apporté en outre des informations complémentaires concernant les contextes de déformation et le développement du réseau de fractures<br>Deep argillaceous formations have physical properties likely to favour the long-term radioactive waste disposal (very low intrinsic permeability, radioactive element retention). But, these properties may be changed by the existence of discontinuities in the host medium. It's why, the characterization of the processes of fluid migrations associated with the fracturing was necessary within the experimental research program, launched by the Institute for Nuclear Safety and Protection (IPSN), which study a thick Toarcian formation composed of claystones (argillites) located on the Tournemire area (Aveyron, France). In the first step, the microtectonic and kinematic analysis provided the chronology of deformation with the main steps of the setting and the evolution of the tectonic fractures network. The microstructural analysis of the filling fractures showed fractures was alternatively, during the tectonic events, tight, permeable or semipermeable (or semi-tight). These "hydraulic states" were controlled by the nature and architecture of the structures of deformation and by the petrophysics properties variations of the argillites in the core zone and damage zone of the fractures. Mechanisms involved in the permeability variations in the fractures were argued and some parameters, as the magnitudes of differential stress, were estimated by the dynamic analysis of the twinning of calcite crystals contained in the core zone of fractures. Besides, the twinning analysis provided several data about the contexts of deformation and the development of the fractures network in the argillites

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches.

L'objectif de cette these est de contribuer a la comprehension des proprietes de transport des roches poreuses ou peu poreuses et fracturees. Une attention particuliere a ete accordee aux effets de la geometrie du reseau poreux, de l'etat de saturation, de l'anisotropie, de l'echelle des heterogeneites et des interactions fluides-roche. Dans la premiere partie de ce travail, concernant les proprietes hydrauliques (experiences et modelisation) des roches poreuses, on a montre que : les permeabilites relatives des roches pyroclastiques sont superieures (pour un meme etat de saturation) a celles des roches sedimentaires ; la tortuosite controle l'existence de chemins de circulation preferentiels et, par consequent, les phenomenes d'hydro-dispersion ; l'anisotropie de permeabilite est bien correlee a la microstructure de la porosite dans les gres et dans les roches volcaniques. Ceci n'est pas le cas dans les calcaires ; la modification du modele de purcell (ajout d'un concept de percolation) permet de predire precisement la permeabilite, sur six ordres de grandeur, de lithologies tres variees ; les simulations sur reseaux ont montre que, lorsque la distribution des rayons d'acces aux pores passe de monomodale a plurimodale, la longueur des chemins de circulation, hydraulique et electrique, augmente et l'on assiste a un decouplage progressif de ces chemins. La seconde partie est consacree aux effets sur la permeabilite des interactions entre les fluides et la roche dans les milieux peu permeables et fractures. On a montre, dans un echantillon traverse par une fracture, que la dissolution des mineraux conduit a augmenter la permeabilite et a diminuer le facteur de formation, par lissage de la fracture ou par augmentation de son ouverture. Dans la carriere du mayet de montagne (allier), la geometrie 3d du reseau de fractures d'un bloc metrique a ete determinee (precision 1cm) grace a des experiences de sismique (adaptees a cette echelle inhabituelle), et de georadar.