Dissertations / Theses 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.

Les fractures hydrauliques naturelles engendrées par des phénomènes de surpression de fluide sont courantes dans les roches mères. Elles se matérialisent généralement par des veines de calcite plus communément appelées « beef ». L’étude de ces veines permet de mieux contraindre l’'histoire tectonique et thermique du bassin. De plus, la compréhension de leur répartition spatiale est un paramètre clef pour l’exploitation pétrolière non-conventionnelle, les beef jouant sur le développement de la fracturation hydraulique induite. Ce travail présente une approche multidisciplinaire dans le domaine des géosciences pour contraindre au mieux le timing, la répartition, la morphologie et l’origine des fluides alimentant les beef. Le cas d’étude porte sur les beef de la formation de la Vaca Muerta, bassin de Neuquén, Argentine. Les résultats des études effectuées sur des carottes sédimentaires et des affleurements de terrain ont montrés que les hétérogénéités sédimentaires, les valeurs de TOC élevées, la maturité de la roche et les contraintes tectoniques compressives contrôlaient la fréquence ainsi que l’épaisseur des beef. Ainsi, ils deviennent des marqueurs de la maturité de la roche. Les beef présentent une morphologie 3D variant en fonction de la composition de la roche encaissante. Des observations pétrographiques ont permis de démontrer qu’ils enregistrent les déformation tectoniques contemporaines et postérieures de leur ouverture. Les fluides alimentant ces fractures évoluent au cours du temps et évoluent localement en fonction de la composition minéralogique de la roche encaissante et de la température. Pour conclure, les beef se mettent en place mécaniquement par l’action des pressions de fluides et / ou de la contrainte tectonique compressive, au maximum de l’enfouissement et au début de l’exhumation du bassin<br>Natural hydraulic fractures caused by fluid overpressure phenomena are common in source rocks. They generally materialize in calcite veins more commonly known as "beef". The study of these veins makes it possible to better constrain the tectonic and thermal history of the basin. Moreover, understanding their spatial distribution is a key parameter for unconventional oil exploitation, as the beef plays an important role on the development of induced hydraulic fracturing. This work presents a multidisciplinary approach in the field of geosciences to constrain the timing, distribution, morphology and origin of the fluid feeding the beef. The case study is from the Vaca Muerta formation, Neuquén basin, Argentina. The results of studies carried out on sediment cores and outcrops showed that sedimentary heterogeneities, high TOC values, rock maturity and compressive tectonic stresses controlled the frequency and thickness of the beef. Thus, they become markers of rock maturity. Beefs have a 3D morphology that varies according to the surrounding rock. Petrographic observations have shown that they record the contemporary and posterior deformation of their opening. The fluids that feed these fractures evolve over time and change locally according to the mineralogical composition of the surrounding rock and temperature. To conclude, the beefs are mechanically set in place by the action of fluid pressure and/or compressive tectonic stress, at the maximum burial and at the beginning of the exhumation of the basin

Le stockage de CO2 dans les formations géologiques profondes est considéré comme un moyen envisageable de réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. L'état des roches constituant le réservoir est un paramètre clé dont dépendent aussi bien la sûreté que l'efficacité du stockage. L'objectif de cette thèse est de caractériser les risques générés par une modification possible des propriétés mécaniques et de transfert des matériaux du sous-sol suite à une injection de CO2. Des simulations à grande échelle visant à représenter le processus d'injection de CO2 à l'état supercritique dans ut réservoir souterrain ont été réalisées. Une analyse des champs de contraintes obtenus met en évidence la possibilité de rencontrer pour d'importants débits d'injection divers régimes de détérioration des matériaux. Le travail est consacré à l'étude de l'apparition de fissures ouvertes. A la suite d'une étude analytique simplifiée de la formation et de ta propagation de fissures ouvertes dans le milieu considéré basée sur un modèle probabiliste on montre que la formation d'un réseau de fissures est possible. On s'attache alors à développer dans te Code_Aster un outil numérique permettant de simuler la formation de réseaux de fissures. Un modèle non local basé sur une régularisation des contraintes est proposé. Un critère portant sur le facteur d'intensité des contraintes est utilisé pour décrire la propagation des fissures. L'amorçage de nouvelles fissures est décrit par un modèle de Poisson-Weibull. Les paramètres utilisés sont identifiés par une campagne expérimentale menée sur des échantillons prélevés sur un site de stockage géologique de CO2. Le modèle développé est ensuite validé sur des cas numériques, puis par rapport à la campagne expérimentale réalisée.

L’accent mis actuellement par l’industrie pétrolière sur l’augmentation de l’efficacité des réservoirs, ainsi que sur l’intérêt grandissant pour l’exploitation d’autres sources d’énergie enfouies profondément sous terre a suscité un regain d’intérêt pour la mécanique de la fracturation des roches en général et la fracturation hydraulique en particulier. La fracturation hydraulique, appelée de manière informelle “fracturation”, est un processus qui consiste généralement à injecter de l’eau, sous haute pression dans une formation rocheuse via le puits. Ce processus vise à créer de nouvelles fractures dans la roche et à augmenter la taille, l’étendue et la connectivité des fractures existantes. Des avancées récentes dans la modélisation et la simulation de fractures hydrauliques ont eu lieu, au confluent de facteurs qui incluent une activité accrue, une tendance vers une complexité accrue et une compréhension approfondie du modèle mathématique sous-jacent et de ses défis intrinsèques. Cependant, certaines des caractéristiques très importantes de ce processus ont été négligées. Parmi les caractéristiques négligées, on peut citer l’incapacité de la grande majorité des modèles existants de s’attaquer à la fois à la propagation de fractures hydrauliques dans la roche intacte, à l’inititation de nouvelles fractures ainsi qu’à la réactivation des fractures existantes. Une autre caractéristique qui a été ignorée est sa dimension intrinsèque en trois dimensions, négligée par la plupart des modèles actuallement proposés. Parmi tous les différents types de méthodes numériques développées pour évaluer le mécanisme du phénomène de fracturation, très peu sont capables de représenter la totalité des mecanismes mis en jeu. Dans la présente thèse, l’initiation et la propagation de fissures induites par les fluides dans des roches isotropes transversales sont simulées à l’aide d’un modèle hydromécanique (HM) couplé basé la méthode XFEM (eXtended Finite Element Method) et un modèle de zones cohésives. Le HM-XFEM développé dans cette thèse est une extension des modèles précédemment développés dans l’équipe hydro-géomécanique multi échelle de GeoRessources. L’accent a été porté plus particulièrement sur la prise en compte de l’anisotropie du milieu et sur son influence sur le chemin de propagation. Ce dernier est défini à partir du le concept d’angle de bifurcation introduit auparavant dans la littérature. En complément des développements réalisés dans le modèle HM-XFEM, effort a été fait pour mieux comprendre l’initiation de la fissure en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) à l’aide du logiciel open source YADE Open DEM. La nature différente des deux méthodes, DEM étant une méthode discontinue et XFEM, une méthode continue, révèle les potentiels des deux méthodes et permet de comparer correctement la méthode qui convient le mieux au problème à résoudre, compte tenu des objectifs de la conception<br>Current emphasis in petroleom industry toward increasing the reservoirs efficiency, along with the interest in exploitation of other sources of energy buried deep underground created a renewed interest in rock fracture mechanics in general and hydraulic fracturing specifically. Hydraulic fracturing, informally referred to as “fracking,” is an oil and gas well development process that typically involves injecting water, under high pressure into a bedrock formation via the well. This process is intended to create new fractures in the rock as well as increase the size, extent, and connectivity of existing fractures. However some of the very important features of this process have been overlooked. Among these neglected features one can name of inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in fractured rocks-masses where a competing dipole mechanism exists between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another feature that has been ignored is its intrinsically three dimensionality which is neglected by most models. Among all different types of numerical methods that have been developed in order to assess the mechanism of fracturing phenomenon very few, if any, can handle the entire complexity of such process. In the present thesis, fluid-driven crack initiation and propagation in transverse isotropic rocks is simulated using a coupled model comprising of eXtended Finite Element Method (XFEM) and cohesive zone models. The HM XFEM developed in this thesis is an extension to previous models developed introduced in multiscale hydrogeomechanics team of GeoRessources. An emphasis is put on considering the anisotropic nature of the medium and on studying its influence on the propagation path. This latter is investigated by the concept of bifurcation angle previously introduced in literature. In complementary efforts was made to have a better understanding of crack initiation in transversely isotropic media, we also used the discrete element method (DEM) in order to gain insights into the mechanisms at stake. Both methods exhibit their advantages and disadvantages in modeling fracturing phenomenon. The different nature of two methods, DEM being a discontinuous and XFEM being a continuous method, reveals potentials of both methods and renders a good comparison of which method suits the problem in hand the best, considering the the objectives of the design

Le fonctionnement et la structure hydrogéologiques des aquifères de socle des granites et des gneiss sont aujourd'hui relativement bien compris. En revanche, dans cet ensemble, les aquifères dans les péridotites sont très peu étudiés et mal compris. Dans ce contexte, les massifs obductés de Nouvelle-Calédonie présentent un laboratoire naturel exceptionnel pour améliorer la connaissance de cet hydrosystème original en contexte tropical. Ainsi l'objectif du présent travail de thèse est d'approfondir la connaissance de la structure et du fonctionnement hydrogéologiques de ces massifs. L'analyse porte d’abord sur le manteau d'altération constitué de la cuirasse, des latérites, des saprolites grossières et du saprock. Plus de 60 essais hydrauliques sont menés sur les massifs de péridotites et les résultats sont compilés aux données existantes. La conductivité hydraulique moyenne des latérites est évaluée à 1.10-7 m/s et celle des saprolites grossières et du saprock à 8.10-7 m/s. L'hétérogénéité de cet horizon altéré est marquée par une gamme de variation de la conductivité hydraulique sur six ordres de grandeur et l'analyse piézométrique met en évidence des connexions hydrauliques avec le substratum fracturé profond. Le substratum est ensuite considéré. L'étude de la fracturation est réalisée à partir de mesures structurales sur affleurement et de la description de près de 1000 m de carottes de forages. L'analyse de la fracturation met en évidence l'importance du réseau serpentineux par sa densité d’une part, et par son lien avec l'altération supergène d'autre part. De plus, il est vérifié que la conductivité hydraulique du substratum diminue avec la profondeur. Cette variation est liée à la diminution de la densité de fractures altérées. Ainsi, à l'issue de ces analyses, la structure des massifs de péridotites est définie. Un réseau primaire de fractures d’espacement décimétrique lié au réseau serpentineux préstructure les péridotites. Sur ce réseau se surimpose un réseau de fractures dont l'espacement est décamétrique et caractérisé par une altération supergène. Les fractures altérées présentent localement de fortes conductivités hydrauliques, de l'ordre de 10-5 m/s. En profondeur l'espacement des fractures est hectométrique et les fractures sont majoritairement fermées, scellées par les minéraux néoformés ou par l'effet de la pression lithostatique. Les réseaux de fractures déca et hectométriques, visibles également sur l'effet d’échelle de la conductivité hydraulique, sont majoritairement verticaux, développés par instabilité de dissolution lors des processus d’altération. Cependant, des structures à faible pendage existent également et permettent la percolation du réseau. Enfin, à partir de ces nouveaux résultats et de l’intégration de l'ensemble des données acquises sur les différents massifs, un modèle de structure et de fonctionnement hydrogéologiques est proposé à l'échelle du massif. Ce modèle comprend l'horizon des latérites qui constitue un aquitard homogène sous lequel se développe l'aquifère dont l'épaisseur est de l'ordre de cinquante mètres. Le substratum est discrétisé en trois couches dont la conductivité hydraulique décroît de 2.10-7 à 2.10-8 m/s entre 50 m et 250 m environ sous le mur de l'aquifère. Les modèles numériques construits permettent de valider le modèle conceptuel unitaire et montrent que l'état de saturation des massifs est contraint par leur géomorphologie. Au terme de ce travail, plusieurs aspects doivent encore être approfondis. Le rôle hydrogéologique de la cuirasse doit être précisé et considéré dans le modèle hydrogéologique. Enfin, compte tenu du développement possible de structures très perméables, voire pseudo-karstiques, la connaissance de la distribution des structures drainantes doit être améliorée. Les résultats appliqués de ce travail de recherche sont exposés dans un rapport final et un guide méthodologique livrés dans le cadre du projet CNRT « HYPERK »<br>Water resources of hard-rock (gneisses or granites) aquifers have significantly been studied in the past two decades. The hydrogeological behavior and structure of these aquifers are thus relatively well understood. On the other hand, aquifers in mantle-type basements, such as peridotites, are poorly studied and understood, mainly because they are not common and of limited extent. In this context, New Caledonia is a great laboratory offering unique opportunity to improve the knowledge of these original types of hydrosystems in tropical climate. Thus, the objective of this thesis is to improve the knowledge of these aquifer systems within weathered peridotites. Firstly, the study focuses on the characterization of the weathered layers of the peridotites composed of, from top to bottom, iron oxides/ferricrete, laterite, coarse saprolite and saprock (ie. top of the bedrock, with up to 20 % of weathered material). More than 60 hydraulic tests are performed and results were compiled with existing data. Mean hydraulic conductivity (K) of laterites is estimated around 1.10-7 m/s while mean value in coarse saprolites and saprock is around 8.10-7 m/s. Heterogeneity of this altered layer is high; K varies between six orders of magnitude and hydraulic head data analysis reveals a hydraulic connection with the deep fractured bedrock. Secondly, the fresh rock part of peridotites is studied. Fracture network analysis is derived from outcrop structural measurements and from the description of about 1000 m of cumulated borehole cores. This work highlights the importance of serpentine network, because of its high density and its critical impact on weathering. Moreover, the observations reveal that hydraulic conductivity decreases with depth within the substratum, due to the vertical decrease of weathered fractures density. These new results allow defining a structural framework of the massifs. It is characterized by a primary decimetrical fracture network closely related to the serpentine network. This network is overprinted by a secondary weathering network which reveals decametric spacing (ca. 30 m) and in places K values of 10-5 m/s. At depth, spacing is hectometrical and fractures are sealed by lithostatic pressure and/or subsequent mineral precipitations. These deca- and hectometric fracture networks, which are also visible on the scale effect of hydraulic conductivity, are primarily vertical and are the result of dissolution instabilities occurring during weathering processes. However, low- angle fractures do occur and allow the percolation of the network. Finally, on the basis of these new results and the integration of all existing data from different massifs a new hydrogeological conceptual model is proposed at the scale of a massif. The model includes a homogeneous lateritic aquitard and a coarse saprolite and saprock aquifer which is about 50 m thick. The bedrock is subdivided into three layers whose hydraulic conductivity decreases from 2.10-7 m/s to 2.10-8 m/s, respectively 50 and 250 m below the aquifer base. Numerical modelling validates this unitary conceptual model and reveals that the saturation of the massifs depends on their morphology. At last, several aspects require further research. The role of the ferricrete layer must be specified and considered in the hydrological model. Moreover, distribution of the fracture network remains to be fully addressed and should be studied with care given the potential development of highly permeable structures that could conform to pseudo-karstic drains. The applied results of this work are available in a “Technical guide” and a “Technical report” of the “HYPERK” CNRT Project

Dans ce travail, un nouveau modèle de liaison avec critère de rupture de cisaillement non linéaire est d'abord proposé et mis en œuvre dans PFC pour décrire le comportement mécanique de matériaux granulaires cohésifs isotropes tels que le grès. Un grand nombre de tests de compression ont été effectués sur des échantillons 3D. Les résultats montrent que l'effet de la pression de confinement sur la résistance à la compression et le modèle de rupture est bien décrit par ce modèle de liaison. Les effets du chemin de chargement et de la contrainte principale intermédiaire sur la déformation et la rupture ont également été étudiés. Après avoir étendu les paramètres d'élasticité et de résistance, deux modèles de liaison sont couplés pour caractériser l'anisotropie de la résistance et de la déformation dans les matériaux cohésifs anisotropes tels que les roches sédimentaires. Une série de test de compression avec différents chemin de chargement ont été effectués et les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales, en particulier pour les propriétés de réponse élastique et de résistance. La transformation du mode de défaillance entre la couche de faiblesse et la matrice de roche sous différentes pressions de confinement a été bien décrite. De plus, le modèle de liaison proposé a été étendu pour étudier le processus de fracturation hydraulique dans les matériaux cohésifs. Un processus de propagation de fracture hydraulique représentatif a été présenté. Enfin, nous avons développé une méthode de reconstruction dimensionnelle de l'irrégularité de la forme des blocs et étudié ses effets sur les impacts des blocs en utilisant une approche basée sur l'énergie<br>In this work, a new bond model with nonlinear shear failure criterion is first proposed and implemented in PFC for describing mechanical behavior of isotropic cohesive granular materials such as sandstone. A large number of compression tests have been performed on 3D samples. The results show that the effect of confining pressure on compressive strength and failure pattern is well described by the proposed bond model. Effects of loading path and the intermediate principal stress on deformation and failure have been also investigated. After further extending parameters on elastic and strength, two bond models: the proposed bond model and the improved smooth joint model, are coupled to character the anisotropy of strength and deformation in anisotropic cohesive materials such as sedimentary rocks. A series of conventional triaxial compression tests with different loading paths have been performed and numerical results are in good agreement with experimental data, especially for elastic response and strength properties. The failure mode transformation between weakness layer and rock matrix under different confining pressures has been well described. Furthermore, the proposed bond model has been extended to study hydraulic fracturing process in cohesive materials. A representative hydraulic fracture propagation process has been presented. Influences of different factors, such as confining pressure, fluid viscosity and fluid injection rate, on hydraulic fracture extension have been investigated. Finally, we have developed a dimensional reconstruction method of block shape irregularity and studied its effects on block impacts using an energy based approach

Les schistes carton sont constitués par des marnes feuilletées d'apparence schisteuse et fortement surconsolidées. À l'état sain ils sont très compacts. À l'état altéré, ils deviennent très friables et se transforment en argile très plastique. Cette altération provoque deux types de problèmes en géotechnique: la stabilité des pentes et les désordres causés par le gonflement. L’altération et le gonflement des schistes carton s'effectuent en deux phases: la première phase d'altération par fissurations, provoque des gonflements indépendants de la présence des minéraux argileux et des déchargements. Les fissurations par rupture de liens interparticules sont dues aux pressions capillaires et se produisent lorsque la valeur de succion appliquée dépasse celle de la pression d'entrée d'air du matériau. Ce phénomène, mis en évidence lors de la dessiccation du matériau, prend toute son ampleur lors des restaurations ultérieures. Des essais cycliques d'humidification-dessiccation nous ont permis de reproduire les phénomènes observes in-situ. L’étude de gonflement aboutit à la proposition d'un modèle restreint pour le gonflement du matériau. Une caractérisation de ses propriétés hydrauliques lors du séchage a été également mise en œuvre dans le but de connaitre l'évolution d'un front de dessiccation lors de travaux de déblayage. La deuxième phase d'altération est due à des transformations minéralogiques. L’oxydation de la pyrite en est la principale ; elle peut s'effectuer chimiquement en présence d'oxygène. Cependant, la présence des bactéries Thiobacilles ferrooxydans augmente considérablement la vitesse d'oxydation. Cette oxydation produit de l'acide sulfurique et des sulfates de fer ferriques qui attaquent d'autres minéraux pour former du gypse, de la jarosite et de la goethite. Ceci provoque à nouveau un gonflement et une dégradation du matériau

La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques<br>The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

L'objectif de ce travail est de modéliser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés. Ceci concerne précisément l'amélioration et l'extension d'un modèle par éléments discrets appelé BRIG3D. Ce modèle assimile un massif rocheux fissuré à un assemblage de blocs rigides qui interagissent au niveau de leurs interfaces. La déformation de ces interfaces est reliée aux déplacements relatifs des blocs. Sous l'effet des sollicitations du massif, chaque bloc, en interaction avec d'autres, se déplace vers une position d'équilibre. Les améliorations concernent la reformulation mécanique de BRIG3D. De nouvelles descriptions concernant le mouvement d'un corps rigide, la position des interfaces et le champ des contraintes sont introduites. Ce travail de recherche concerne également l'introduction d'un modèle par éléments frontières décrivant un écoulement laminaire, permanent et plan aux interfaces des blocs. Le couplage de ces deux modèles à permis d'analyser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés soumis à diverses sollicitations. Une étude particulière a été consacrée à l'analyse du comportement d'une fondation de barrage.

La fracturation hydraulique est au cœur d'un certain nombre de phénomènes naturels et induits et est cruciale pour un développement durable de la production de ressources énergétiques. Compte tenu de son rôle crucial, ce phénomène a été pris en compte au cours des trois dernières décennies par le monde académique. Néanmoins, un certain nombre d'aspects très importants de ce processus ont été systématiquement négligés par la communauté. Deux des plus remarquables sont l'incapacité de la grande majorité des modèles existants à aborder la propagation des fractures hydrauliques dans les massifs rocheux fracturés où l'injection de fluide peut à la fois conduire à la fracturation de la roche intacte et à la réactivation de fractures préexistantes. Un autre aspect essentiel de ce processus est qu'il est intrinsèquement tridimensionnel, ce qui est souvent négligé par les modèles actuellement disponibles. Pour aborder ce problème essentiel, un modèle hydro-mécanique couplé basé sur la méthode des éléments discrets a été développé. La masse rocheuse est ici représentée par un ensemble d'éléments discrets interagissant à travers des lois de contact cohésifs qui peuvent se casser pour former des fissures à l'intérieur du milieu simulé. Ces fissures peuvent se coalescer pour former des fractures. Une méthode de volume fini est utilisée pour simuler l'écoulement de fluide entre les éléments discrets. L'écoulement est calculé en fonction de la déformation de l'espace poreux dans le milieu intact et de l'ouverture des fissures dans les fractures. De plus, les fractures naturelles sont modélisées explicitement de sorte qu'elles peuvent présentées des comportements mécanique et hydraulique différents de ceux de la matrice rocheuse intacte. La simulation des processus de fracturation hydraulique dans un milieu initialement intact en considérant plusieurs points d'injection plus ou moins espacés a permis de mettre en évidence l'évolution spatio-temporelle des fractures hydrauliques et de quantifier l'impact des différentes stratégies d'injection sur des indices représentatifs du volume fracturé, de l'intensité et de la densité des fractures ou encore sur la pression de fluide au niveau du puits. De plus, l'injection dans une fente de perforation non alignée sur le plan de contrainte minimum a génère des fractures hydrauliques non planaires percolantes si la connectivité est faible, ce qui peut être gênant pour la mise en place du proppant. En outre, des interactions fortes prennent place entre des fractures hydrauliques étroitement espacées ont été mises en évidence grâce au le suivi de la orientation de contrainte principale locale et ont révélé l'importance des effets d'ombre de contrainte. Des solutions sont proposées pour optimiser les traitements multiples à partir d'un puits de forage non parfaitement aligné. Enfin, l'interaction entre une seule fracture hydraulique et une seule fracture naturelle de propriétés et d'orientations variables a été étudiée à l'aide du modèle proposé. L'évolution de la fracture hydraulique et la réponse globale de l'échantillon ont été enregistrées d'une manière comparable aux données expérimentales existantes pour établir un pont entre les résultats expérimentaux et numériques. Les fractures naturelles persistantes semblent être des barrières pour la fracture hydraulique si leur conductance est élevée par apport a celle de la matrice ou si leur raideur est faible par rapport a la rigidité du milieu environnant. D'autre part, une faible rigidité dans les discontinuités non persistantes pourrait provoquer une bifurcation de la fracture hydraulique principale. De plus, des angles d'approche élevés et des contraintes différentielles fortes semblent favoriser le croisement de la fracture naturelle alors que des angles faibles engendrent plutôt un glissement ou une dilatation par cisaillement de la partie du plan qui n'est pas affectée par la perturbation de la contrainte<br>Hydraulic fracturing is at the core of a number of naturally occurring and induced phenomena and crucial for a sustainable development of energy resource production. Given its crucial role this process has been given increasing attention in the last three decades from the academic world. Nonetheless a number of very significant aspects of this process have been systematically overlooked by the community. Two of the most notable ones are the inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in realistic, fractured rocks-masses where hydraulic fracturing is a competing dipole mechanism between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another essential aspect of this process is that it is intrinsically three-dimensional which is neglected by most models. To tackle this vital problem taking into account these pivotal aspects, a fully coupled hydro-mechanical model based on the discrete element method has been developed. The rock mass is here represented by a set of discrete elements interacting through elastic-brittle bonds that can break to form cracks inside the simulated medium. Theses cracks can coalesce to form fractures. A finite volume scheme is used to simulate the fluid flow in between these discrete elements. The flow is computed as a function of the pore space deformation in the intact medium and of the cracks' aperture in the fractures. Furthermore, the natural fractures are modelled explicitly and present mechanical and hydraulic properties different from the rock matrix. Employing this model in an intact numerical specimen, single fluid injection and multiple closely spaced sequential injections, enabled the description the full spatio-temporal evolution of HF propagation and its impact on quantitative indexes used in description of hydraulic fracturing treatments, such as fractured volume, fracture intensity and down-the-hole pressure for different control parameters and in-situ stress-fields. Moreover, injections from perforation slots which are not well aligned to the minimum stress plane showed possible creation of percolating non-planar hydraulic fractures of low connectivity, which can be troublesome for proppant placement. Also, strong interactions between closely spaced HF were highlighted by tracking the local principal stress rotation around the injection zones, emphasizing the importance of stress shadow effects. Optimization solutions are proposed for multiple treatments from a non-perfectly aligned wellbore. Finally, interaction between a single hydraulic fracture and a single natural fracture of varying properties and orientations was studied using the proposed model. The evolution of the hydraulic fracture and the global response of the specimen were recorded in a way comparable to existing experimental data to bridge the experimental and numerical findings. Persistent natural fractures appeared to be barriers for the hydraulic fracture if their conductance is high compared to the matrix conductivity or if their stiffness is significantly low compared to the rock matrix rigidity. Low stiffness in non-persistent defects might also cause a bifurcation of the main hydraulic fracture due to the local stress field perturbation around the defect and ahead of the hydraulic fracture tip. Furthermore, high approach angles and differential stresses seemed to favour crossing of the natural fracture while low angles enable shear slippage or dilation on the part of the plane which is not affected by the local stress perturbation

La connaissance des contraintes naturelles du site est l'une des donnees primordiales. Dans l'objectif de determiner ces contraintes in situ dans les milieux rocheux anisotropes comme le schiste, une approche probabiliste utilisant la theorie des problemes inverses et la technique de surcarottage (cellule u. S. B. M. ) Est developpee. Le probleme direct qui consiste a modeliser le surcarottage est resolu par la methode des discontinuites de deplacements (code disdepan). La connexion entre la methode d'inversion et disdepan est alors etablie (code sinvers). La validation de ce code est realisee par des essais de compression simple sur des cubes de schiste. L'etude de sensibilite des resultats aux modules du materiau a montre leur importance dans la determination des contraintes in situ. Le code sinvers est ensuite utilise dans une galerie experimentale a 430 m de profondeur, on obtient : #* la contrainte verticale (10,5 -11 mpa) est proche du poids des terrains, #* les contraintes horizontales sont egales respectivement a 15,2 mpa perpendiculairement au plan de schistosite et a 12,4 mpa parallelement au plan de schistosite. Pour determiner les contraintes en place par la methode de fracturation hydraulique, il est necessaire de modeliser la propagation de fracture dans les roches anisotropes loin du forage. Un critere anisotrope de propagation est propose a partir des essais de flexion trois points, et introduit dans disdepan. Ce critere est valide, d'une part, en resimulant le chemin de fracture des essais de flexion 3 points, et d'autre part, en modelisant des essais biaxiaux ( #1/#2 = k), realises sur blocs de schiste : le modele numerique predit tres correctement les formes de rupture experimentales. Enfin, une etude de sensibilite des chemins de propagation de fissure aux modules (e1, e2) a montre leur importance dans la determination de la direction de la fracture loin du trou dans les essais de fracturation hydraulique.

L'étude géologique du massif de fondation du futur barrage de Puylaurent (Massif Central français) a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour l'interprétation des caractéristiques géotechniques du massif rocheux. Pour cela, les épisodes tectoniques qui ont faconné la région ont été analysés; ainsi ont été établis la genèse, la géométrie et les jeux des accidents résultants. Une étude structurale fine du massif rocheux cristallophyllien qui constitue la fondation du barrage a permis d'établir, outre la géométrie des déformations qu'il a subies, une filiation hiérarchique et chronologique avec les discontinuités régionales. L'existence éventuelle d'anisotropie de contraintes actuelles a été recherchée au moyen de mécanisme au foyer de séismes, de mesures de contraintes in situ et de mesures de vitesses sismisques. Celles-ci ont réussi à mettre en évidence une direction de sollicitation actuelle N*S à NNE-SSW. la confrontation des données géologiques et des résultats de travaux de reconnaissance (sondages, essais Lugeon, galeries) montre divers cas où une perméabilité élevée du massif de fondation est liée à l'orientation des sollicitations actuelles.

La fracturation naturelle des roches a une incidence majeure sur les phenomenes de transport dans les formations geologiques. Cependant, les methodes traditionnelles de description fournissent des informations tres locales sur la nature et la distribution de ces fractures et ne rendent pas toujours compte de l'allure generale du champ fracture. De nouvelles methodes d'approche doivent donc etre recherchees. Dans cette etude, on suppose que certaines proprietes geometriques des reseaux de fractures ne peuvent etre clairement mises en evidence que par un travail impliquant differentes echelles d'observation. Nous montrons qu'en envisageant un continuum d'echelles, dans une gamme donnee, on fait apparaitre, pour ces reseaux, des proprietes geometriques inaccessibles par l'etude des seules echelles extremes de cette gamme. La mise au point et l'application d'une methodologie simple, allant de l'acquisition des donnees a la quantification de la geometrie d'un champ fracture, nous permet de montrer la hierarchie des reseaux observes dans le plan horizontal. Cette hierarchie correspond a l'imbrication de reseaux de fractures de largeurs differentes. La meme etude appliquee au plan vertical n'est pas aussi convaincante et elle ne permet donc pas de resoudre totalement le probleme de la restitution d'une image complete de la fracturation en trois dimensions. Neanmoins, une telle etude fournit la matiere pour une analyse critique de la relation entre la densite de fracturation et l'epaisseur des bancs. On montre que cette relation ne peut etre clairement etablie que si on sait definir la limite mecanique des bancs. En dernier lieu, on regarde l'incidence de la hierarchie des reseaux de fractures sur la conductivite hydraulique du milieu fracture. Ainsi, on montre que cette hierarchie et l'influence de la nature des limites de bancs sont des parametres dont il faudra tenir compte lors de l'elaboration de nouveaux modeles geometriques et hydrauliques

Le site HDR de Soultz-sous-Forêts se présente sous la forme d'un doublet géothermique (un puits d'injection et un puits de production), hydrauliquement connecté par un réseau de fractures situé à plus de 3500 m de profondeur. La température en fond de puits a été mesurée à 162 °C environ à 3800 m de profondeur. Les objectifs d'un tel projet sont de récupérer la chaleur contenue dans le massif rocheux fracturé en établissant une circulation forcée de fluide entre les puits. Au passage dans le réseau de fractures, le fluide est réchauffé, et cette énergie calorifique est récupérée en surface pour être transformée, à l'aide d'une turbine, en électricité. Afin d'augmenter la perméabilité du réservoir et d'améliorer la connexion entre les puits, des essais de fracturation hydraulique ont été menés sur chacun des forages. Ces injections de fluide à forte pression (plusieurs dizaines de MPa), induisent une activité sismique de faible magnitude (inférieure à 4), appelée "microsismicité". Dans cette étude, l'utilisation des micro-événements permet de développer deux thématiques distinctes: - Le développement d'une méthode permettant d'inverser les données microsismiques en terme de perméabilité équivalente de la zone stimulée. Durant l'injection de fluide, la surpression engendrée dans le milieu se propage dans l'espace à une certaine vitesse. La célérité de cette onde est quantifiée en interprétant la répartition dans le temps et dans l'espace des micro-événements. En appliquant les lois de la poroélasticité, une perméabilité du milieu poreux équivalent au volume de roche fracturé est estimée. De cette estimation selon la direction de l'espace, un tenseur de perméabilité est défini. Cette méthode a été appliquée sur deux autres sites géothermiques, Fenton Hill aux USA et Ogachi au Japon. - La construction d'un modèle 3D capable de simuler les écoulements de fluide dans le massif ainsi que de quantifier les échanges de chaleur associés. Ce modèle intègre un maximum d'informations de différentes natures, observées et mesurées dans les puits: débit et pression, pendage et azimut des fractures, températures. . . Une fois le modèle hydraulique obtenu, le champ de vitesses de Darcy associé est utilisé pour la simulation numérique du refroidissement du volume de roche initialement chaud (échangeur géothermique), paramètre conditionnant la durée de "vie" de l'échangeur géothermique. Une estimation des courbes de refroidissement du futur échangeur prévu à 5000 m est également proposée. Ces paramètres techniques sont importants pour la détermination de la rentabilité économique d'un tel projet.

Developments performed during the last decades in the domain of hydraulic and transport properties modeling of fractured media have been mainly motivated by the current problematic about nuclear repositories safety. The understanding of the complex hydraulic behavior of fractured media is tackled here through a direct representation of the fracture network geometry and through a discrete stochastic modeling process. In that context, our work is focused on the notion of spatial correlations. Firstly spatial correlations are identified. Then a model of discrete fracture network is developed and finally the consequences of spatial correlations on hydraulic properties of fractured media are determined. Natural fracture patterns often display an heterogeneous spatial density distribution which can be characterized by a fractal dimension D. In addition we show that fracture lengths and positions are also organized such that around each fracture there exists on average a shield (empty of other fractures) whose area is correlated to the fracture length. A stereological analysis shows that the fractal dimension of a 3D fracture pattern is simply related to the apparent fractal dimension measured on a lower dimensional sample of the fracture network. The model of fracture network considered is fractal (D) and its fracture length distribution is a power law (a). For 2D fracture networks, the type of global behavior depends on the relative values of a and D. Indeed, a strong fractal correlation (D low) induces a decrease of the global network connectivity when the observation scale increases. On the contrary, a decrease of a induces an increase of the connectivity with scale. When a=D+1 (self-similar case), both effects exactly compensate and the connection state is independent of the observation scale. In that case, we show that, although the flow remains channeled at high densities as long as D<2, the evolution of the permeability with scale is weakly dependent on D. At last, we show that the fractal dimension associated with 2D fracture networks tends to decrease the connectivity with increasing scale. When the deconnexion effect is compensated by the length distribution, the evolution of the permeability with scale is weakly sensible to variations of D, although flow is channeled. On the contrary we expect a stronger influence of the parameter D on the transport properties.

Nous abordons dans cette thèse la mesure et la modélisation de l'organisation des écoulements dans les milieux géologiques. Dans un premier temps, nous avons montré, en comparant des données de tests hydrauliques et des modèles d'écoulement, que les transferts de pression dans l'aquifère cristallin fracturé de Plœmeur peuvent être représentés en moyenne par un modèle équivalent basé sur la théorie de la diffusion en milieu fractal. Dans une deuxième approche, nous avons développé des méthodes d'inversion d'expériences de mesure d'écoulement en forage, afin d'estimer la connectivité et les propriétés hydrauliques des zones d'écoulement à différentes échelles dans les aquifères hétérogènes. Enfin, l'étude des relations entre la longueur de corrélation des écoulements et l'hétérogénéité du milieu, à partir de simulations numériques, nous permet de discuter du rôle de l'organisation des écoulements sur le transfert de solutés.

Un site experimental representatif du milieu calcaire fissure a ete etudie dans le jurassique superieur de la vallee de la loue. Un forage carotte de trente metres a ete realise et exploite a l'aide des techniques de laboratoire: mesures de la porosite et de la permeabilite sur echantillons, mesures de la vitesse ultrasonique, quantification de la fissuration sur carottes. Sur le terrain, nous avons procede a des essais hydrauliques par injection entre obturateurs et a des diagraphies soniques et de densite. Les volumes rocheux concernes ont ete explores en surface a partir de la sismique refraction. Les principaux resultats permettent d'introduire les parametres hydrauliques lies ou non a la fissuration du massif calcaire. On constate un fort effet d'echelle entre les mesures de laboratoire et de terrain. En effet, la matrice homogene et isotrope est perturbee par les fissures (fermees ou ouvertes). En laboratoire le milieu continu represente par la matrice s'avere discontinu sur le terrain. Les resultats de la mesure diagraphique d'attenuation des ondes mecaniques hautes frequences (ondes p refractees), de type indice ic, sont interessants et fournissent une bonne caracteristique hydraulique des calcaires fissures, ces mesures doivent etre utilisees avec prudence et apres correction dans les zones a argilosite reconnue. La mise en evidence systematiquement des seules fractures significatives du point de vue des ecoulements dans le massif est possible en associant cette diagraphie d'indice de permeabilite (ic) a d'autres mesures diagraphiques, par exemple de type gamma-ray

La cote d'ivoire est constituee a plus de 97% de socle. L'essentiel des ressources en eau est contenu dans les reservoirs formes par le socle fracture. Il importe donc de mieux connaitre ces reservoirs fractures car leur importance hydrogeologique est considerable. C'est dans cette perspective que s'inscrit la presente etude qui couvre la region des montagnes de l'ouest de la cote d'ivoire. Son objectif est une meilleure caracterisation des reservoirs fractures : quantification de l'organisation des reseaux de fractures, distribution des proprietes hydrauliques heritees de la fracturation. L'etude de la fracturation a ete conduite avec differents types de supports : donnees de terrains, photographies aeriennes et images satellites. Elle s'est appuyee sur les methodes d'analyse statistique, fractale et geostatistique. La methodologie adoptee a montre son utilite. Les resultats acquis au terme de cette etude montrent que l'on dispose a l'heure actuelle de suffisamment d'elements dans la connaissance de la geometrie des reservoirs fractures de cette region. L'etude de la transmissivite a permis de souligner le caractere tres transmissif de certains types de roches vis a vis du cortege petrographique du secteur d'etude. Les directions majeures de fracturation d'un point de vue hydrogeologique sont les plus productives. L'etude geostatistique de la transmissivite par krigeage et co-krigeage a permis l'elaboration de deux champs de transmissivite qui paraissent representatifs de la region de man-danane. Les estimations par co-krigeage sont nettement meilleures que celles par krigeage simple. Sur la base des resultats acquis a l'issu de ce travail, la modelisation de ces reservoirs fractures peut etre envisagee.

La gestion d'un aquifère repose sur l'étude de ses propriétés hydrauliques. Nous proposons une approche computationnelle afin de caractériser la structure physique d'un aquifère et les propriétés hydrauliques associées, en focalisant sur l'étude des milieux hétérogènes fracturés où les écoulements sont fortement chenalisés. Ainsi, une première partie cherche à définir le modèle de fracturation sous-jacent à deux sites naturels suédois à partir d'observations corrigées des biais d'échantillonnage. La modélisation choisie repose sur une distribution des longueurs en loi de puissance et sur un terme de densité dépendant des orientations. Les propriétés hydrauliques des milieux hétérogènes, poreux et fracturés, sont ensuite caractérisées grâce à deux indicateurs statistiques décrivant le degré de chenalisation des écoulements à partir de la distance entre deux chenaux principaux et de la longueur efficace des chenaux. Ces indicateurs permettent de relier les propriétés physiques du milieu (hétérogénéité, organisation) à ses propriétés hydrauliques. Finalement, nous tentons d'identifier les composantes principales de la structure de perméabilité à partir de données de charge hydraulique en résolvant le problème inverse associé. On montre ainsi qu'il est possible d'identifier les principales structures contrôlant les écoulements à condition d'utiliser des données contenant une information sur la perméabilité pertinente à l'échelle du site, une paramétrisation représentative des structures principales et une méthodologie appropriée. Ces différentes approches permettent de définir un modèle pertinent des propriétés hydrauliques d'un milieu complexe.

Cette thèse vise à développer un modèle numérique de type lattice permettant de simuler la propagation de fissures sous l’effet d’une injection de fluide dans un milieu hétérogène quasi-fragile. Si la finalité de l'étude concerne l'étude de matrices rocheuses naturelles, dans les différentes parties du manuscrit détaillée ci-après et dans un souci de validation, le modèle a été régulièrement confronté à des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux cimentaires similaires à des roches naturelles en termes de comportements mécaniques et de transport mais présentant des hétérogénéités mieux contrôlées. La première partie du document est dédiée à l'étude du processus de fissuration caractéristique des matériaux quasi-fragiles présentant une zone d'élaboration. Un outil d'analyse statistique basé sur les fonctions de Ripley et permettant d'extraire une longueur caractéristique à partir d'un nuage de points -- lieux d'un endommagement mécanique -- et présenté. Il est ensuite utilisé dans le cadre d'essais numériques et expérimentaux de rupture par flexion 3 points sur des éprouvettes de bétons. Les résultats montrent que le modèle numérique de type lattice est capable de rendre compte à la fois du processus global de fissuration mais également du processus local de fissuration. Par ailleurs, cet outil permet également de montrer l'influence du mode de sollicitation sur le développement de l'endommagement au sein d'une structure. La deuxième partie du document présente une loi de comportement élasto-plastique endommageable représentative du comportement de joints. L'originalité du modèle réside dans le couplage entre l'endommagement sous sollicitation normale et la plasticité sous sollicitation tangentielle. Cette nouvelle loi permet de reproduire correctement des résultats d'essais de cisaillement indirects effectués sur des joints de plâtre séparant des épontes en mortier alors qu'un modèle de Mohr-Coulomb classique ne le permet pas. La troisième partie est dédiée à l'introduction d'un couplage hydromécanique complet dans le modèle lattice utilisé précédemment. Le couplage hydromécanique est introduit au travers du comportement poromécanique du milieu basé sur une description mécanique-hydraulique duale et intrinsèque du modèle lattice. La contrainte totale fait le lien entre la contrainte mécanique du lattice mécanique et la pression de pore du lattice hydraulique au travers du coefficient du Biot du milieu alors que la perméabilité locale pilotant le gradient de pression hydraulique est indexée sur les ouvertures locales de fissures estimées au travers du lattice mécanique. Les résultats obtenus par ce modèle hydro-mécanique dual ont été confrontés à des solutions analytiques données dans la littérature pour des fissures de type "bi-wings", et il est montré que les deux approches sont cohérentes pour une fissure parfaitement rectiligne. Après les différentes étapes de validation du modèle présentées dans les parties précédentes, la quatrième et dernière partie est dédiée à la simulation numérique du couplage hydromécanique sous-jacent à la propagation libre d'une fissure propageant sous l'effet d'une injection de fluide et de son interaction avec un joint rocheux naturel. Les trajets de fissuration, non maillés a priori, et les profils de pression au sein de la matrice poreuse sont obtenus et comparés en fonction de l'inclinaison du joint rocheux. Par ailleurs, le traitement statistique concernant les lieux d'endommagement développé en première partie est repris ici afin de caractériser l'évolution des longueurs de corrélation entre point s'endommageant au cours de la propagation de la fissure et de son interaction avec le joint. Il est montré que le modèle hydromécanique lattice permet de représenter différent mécanismes de ré-initiation de fissure à partir d'un joint suivant son inclinaison<br>This research study aims at developing a lattice-type numerical model allowing the simulation of crack propagation under fluid injection in a quasi-brittle heterogeneous medium. This numerical tool will be used to get a better understanding of initiation and propagation conditions of cracks in rock materials presenting natural joints where the coupling between mechanical damage and fluid transfer properties are at stake. If the final goal of the study does concern natural rocks, the model has been validated by different comparisons with experimental results obtained on cementitious materials mimicking natural rocks in term of mechanical and transport behaviours but presenting heterogeneities which are better controlled. The first part of the manuscript presents a general state of the art. The second part of the manuscript is dedicated to the study of crack propagation in quasi-brittle materials where a significant fracture process zone is evolving upon failure. Only the solid phase is studied here and a statistical tool based on Ripley’s functions is adapted in order to extract a characteristic length representative of the correlations appearing between a set of point undergoing mechanical damage. This tool is then used in the context of numerical and experimental fracture tests on 3 point bending concrete beams. The results show that the lattice-type numerical model is able to capture the global fracture process – in term of force vs. crack opening mouth displacement – but also the local fracture process – in term of dissipated energy and correlation length evolution between damage points. Moreover, this statistical tool shows how the solicitation mode may influence the development of damage within a structure. The third part presents a new elasto-plastic damage constitutive law for joint modelling. The originality of the model lies in the coupling between mechanical damage under normal strain and plasticity under tangential strain. This new constitutive law is able to reproduce indirect shear experimental tests performed on mortar specimens presenting a plaster joint where a classical Mohr-Coulomb criterion fails. The fourth part is dedicated to the representation of the full hydro-mechanical coupling within the lattice-type numerical model. The hydro-mechanical coupling is introduced through a poromechanical framework based on the intrinsic and dual hydro-mechanical description of the lattice model, which is based on a "hydraulic" Voronoï tessellation and a "mechanical" Delaunay triangulation. The total stress links the mechanical stress and the pore pressure through the Biot coefficient of the medium whereas the local permeability, which drives the hydraulic pressure gradient, depends on the local crack openings. The numerical results are compared with analytical solutions from the literature for "bi-wings" shape cracks and it is shown that both approaches present similar results for a perfect straight crack. Once the lattice-model has been successfully validated within the former parts of the manuscript, its fifth and last part is dedicated to the numerical simulation of the fully hydro-mechanical coupling problem of a free crack propagation due to fluid injection and its interaction with a natural joint in an heterogeneous rock medium. Different crack paths, which are not pre-meshed a priori, and different pressure profiles are obtained and compared for different joint inclinations. Finally, our statistical tool, which has been primarily developed for the analysis of the failure behaviour of the solid phase, is used to characterise the evolution of correlation lengths between points undergoing damage upon the crack propagation and its interaction with a natural joint. It is shown that the hydro-mechanical lattice model is able to represent different mechanism of crack stop and restart from a joint depending on its inclination

Le projet de tunnel de base maurienne-ambin, qui traversera les alpes sur plus de 50 km de longueur et sous un recouvrement de terrain atteignant au maximum 2500 m, pose le probleme de la prevision des etats de contraintes naturelles dans les massifs rocheux ; le comportement du rocher pendant l'excavation aussi bien que la stabilite de l'ouvrage en dependent. Pour etudier cette question complexe, nous avons eu recours a plusieurs approches complementaires. Il s'agit tout d'abord d'une etude en laboratoire du comportement mecanique du gneiss d'ambin, visant en particulier a quantifier precisement son anisotropie elastique ; c'est dans cette roche que le recouvrement sera maximal, et donc la prevision de contraintes particulierement importante. Nous avons ensuite interprete une serie de mesures de contraintes in-situ realisees dans quinze forages de reconnaissance a la cote du futur tunnel, essentiellement par la methode des tests hydrauliques sur fractures preexistantes (methode htpf). Nous avons enfin evalue, avec l'aide de la modelisation numerique, le poids relatif des differents parametres influant sur l'etat de contraintes naturel : la topographie, l'anisotropie elastique des roches et la tectonique. Il ressort de cette etude que dans le secteur concerne par le tunnel maurienne-ambin, la tectonique combinee a la topographie semble etre le facteur predominant, qui explique une bonne partie des observations de terrain. L'anisotropie des roches comme le gneiss d'ambin, dont le rapport des modules elastiques est proche de 1. 5, n'est qu'un parametre de second ordre, mais il influe tout de meme sur les valeurs et les orientations des contraintes principales.

L’étude des phénomènes couplés thermo-hydro-mécaniques intéresse la communauté scientifique aujourd'hui confronté au problème du stockage des déchets. La modélisation est un outil essentiel pour prédire l'évolution complexe du milieu hôte et de ces déchets. Parmi les approches numériques existants, on distingue les approches de types éléments finis et les approches de type éléments distincts. Si la première, plus ancienne, a déjà donné lieu à de nombreux développement et applications, elle rend mal quelquefois la réalité du massif rocheux fracturé. Nous avons souhaité cette dernière approche en la rendant capable de modéliser les échanges thermiques convectifs liés à la circulation d'un fluide dans les fissures de roche. Nous suspectons en effet que ce phénomène peut être important si le gradient hydraulique est suffisamment élevé. Une étude bibliographique nous a permis de mettre en évidence les paramètres qui déterminent ce phénomène dont le principal est le coefficient de transfert thermique h entre la roche et le fluide. Les nombreuses formulations recensées ne sont pas totalement suffisantes à expliciter la réalité de ses effets. D’autres mesures, in situ et en laboratoire, s'avèrent nécessaires. Nous avons pu établir des expressions pour les termes d'échange thermique entre le fluide et la roche et à l'intérieur du fluide lui-même. Souhaitant donc modéliser le phénomène à l'aide d'une approche adaptée au milieu discontinu, notre choix s'est porte sur le logiciel UDEC (Universal Distinct Element Code) dont la structure permettait moyennant quelques modifications d'accueillir les développements envisagés. Les algorithmes de calcul sont basés sur les différences de vitesse entre les transferts thermiques convectifs et conductifs. Nous avons testé notre modèle dans le cas de l'écoulement d'un fluide froid entre 2 blocs. Dans le cas d'une modélisation thermohydraulique, les échanges thermiques calculés sont cohérents et s'accordent avec ceux calculés par une autre approche numérique. On observe en effet que la convection thermique croit avec l'ouverture hydraulique de la fracture, la vitesse du fluide et décroit avec sa viscosité. Des calculs thermo-hydromécaniques ont montré la nécessité d'alterner les calculs thermiques et les calculs hydromécaniques suffisamment fréquemment pour rendre compte de la réalité du couplage. Notre modèle a été utilisé à grande échelle et a permis également d'interpréter les anomalies thermiques mesurées sur le site géothermal du Cézallier

Les gisements d'émeraude de Colombie, encaissés dans les formations sédimentaires carbonatées et les shales noirs d'âge Crétacé Inférieur, sont disposés en deux zones sur les flancs Ouest et Est de la Cordillère Orientale de Colombie. Dans ces deux zones à émeraude, les interactions fluide-roche et la composition des fluides hydrothermaux sont similaires. Par contre, l 'étude des géométries et des structures des gisements réalisée au cours de cette thèse met en évidence des contrôles structuraux radicalement différents pour les zones occidentale et orientale : les gisements de la zone occidentale tels que Muzo et Coscuez sont des structures compressives formées le long de failles décrochantes, alors que ceux de la zone orientale correspondent à des structures extensives en relation avec un niveau bréchique qui s'est comporté comme un détachement gravitaire de faible extension. Ce niveau bréchique correspond pro parte à la dissolution de formations évaporitiques. L'étude pétro-structurale des veines et des brèches montre que dans les gisements occidentaux l'établissement de fortes pressions fluides a favorisé la propagation de la déformation compressive. Des phénomènes de fluidisation associés à de la fracturation hydraulique se sont alors produits. Des coupes permettent d'intégrer les gisements dans leur contexte tectonique régional. Couplé aux datations absolues qui existaient sur ces gisements, ce travail à l'échelle régional montre que: (1) à la limite Eocène-Oligocène, une chaîne plissée qui implique des rotations horaires de blocs se forme au niveau de la façade Ouest de la cordillère Orientale, (2) les gisements orientaux sont encaissés dans un seul niveau stratigraphique qui contient également des évaporites, (3) ce niveau à émeraude et à évaporite a été déformé et mis à l'affleurement par une déformation andine récente en régime transpressif dextre<br>The Colombian emerald deposits, hosted in the Lower Cretaceous series, form two zones along the western and eastern flanks of the Eastern Cordillera (western and eastern zones). Within both zones, metallogenic processes, hydrothermal fluid composition and fluid-rock interaction are similar. However, detailed structural mapping and geometric analysis evidenced that structural controls synchonous with the mineralization are drasticaly different from the western to the eastern zone: the western emerald deposits, as the Muzo and Coscuez ones, are characterized by compressive structures formed along tear faults, whereas the eastern emerald deposits, as the Chivor one, present extensional structures branched on a brecciated level which acted as a local detachment, gravity driven. This brecciated level corresponds to an evaporite dissolution residue. Petro-structural studies of veins and breccias show that high fluid pressures enhanced the propagation of the thrusts within the western deposits, where fluidization phenomena and associated hydraulic fracturing occurred. Regional cross-sections coupled with radiometrie datating of the emerald deposits show that : 1) at the time of the Eocene-Oligocene boundary, when the western deposits formed, the western side of the Eastern Cordillera became a fold-and-thrust belt and experienced clockwise bloc rotations, prior to the major uplift of the Cordillera during the Andean phase (middle Miocene) ; 2) on the eastern side of the Cordillera, the emerald deposits are hosted in an unic regional stratigraphic level containing evaporites. The emerald mineralization occurred at the time of the Cretaceous-Tertiary boundary, during a thin-skinned extensional tectonic event. This event predates the Andean major uplift of this eastern part of the Cordillera. In this area, Andean uplift results from right-lateral transpressional tectonics