Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes (multiéchelles) à partir de simulations numériques et de modèles théoriques. - Thèses de l'Université Rennes 2 - Haute Bretagne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Mechanical and hydraulic behaviour of complex (multiscale) fracture networks based on numerical simulations and theoretical models

Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes (multiéchelles) à partir de simulations numériques et de modèles théoriques.

Résumé

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La multiplication des projets de stockage de déchets nucléaires dans les milieux cristallins fracturés, a montré l’incroyable complexité des réseaux de fractures naturels. La géométrie des réseaux de fractures est conditionnée selon plusieurs indicateurs statistiques tels que la densité des fractures, leur distribution de longueur et orientations. Les propriétés hydrauliques des réseaux naturels sont très hétérogènes, c’est-à-dire que l’écoulement se concentre principalement sur quelques fractures du réseau, c’est la chenalisation. Cette hétérogénéité est observée le long des forages. Un forage étant une donnée ponctuelle, très localisé, il reste une large part d’inconnu dans l’organisation géométrique et hydraulique du réseau naturel. Les modèles numériques sont alors utilisés afin de génerer des modèles de réseaux de fractures à partir des indicateurs statistiques qui caractérisent le réseau naturel : densité de fractures, distribution des longueurs et des orientations. Actuellement, les modèles numériques les plus utilisées dans ce domaines sont des modèles qui représente chacune des fractures du réseau et résout l’écoulement pour chacune d’entre elles (DFN, Discrete Fracture Network). Ces DFN sont généralement défini par un processus de Poisson, où la densité de fractures est distribuée de façon homogène dans le réseau et que les paramètres statistiques sont indépendants les uns des autres. Les relations entre les statistiques de distributions de densité de fractures et des perméabilités ont été largement étudiée, mais présente peu d’intérêt pour ce type de modèle où la structure géométrique du réseau est spatialement aléatoire. Ce type de modèle reproduit la géométrie du milieu naturel mais sans respecter les lois d’échelle observées sur la plupart des réseaux ntaurels. Récemment, un nouveau type de DFN a été développé pour expliquer ces lois d'échelle et se base sur des processus de génération pour retrouver la géométrie du site, à l’inverse des modèles de poisson (PM) où la géométrie du site est en entrée du modèle. Ce nouveau DFN est basé sur des règles simples de génération qui contrôlent la propagation des fractures selon leur longueur et leur position dans le volume. Ces règles de générations permettent de simuler les interactions mécaniques (MM) entre les fractures pendant le processus de génération. Pour des statistiques de densité de fractures, de distribution de longueurs et d’orientation identique, ces deux modèles peuvent avoir les mêmes statistiques géométriques mais deux organisations spatiales des fractures complètement différentes. L'objectif de ce travail est d’explorer si ces modifications dans l'organisation des réseaux, influence la chenalisation des écoulements. Une première partie de ce travail a consisté à développer des indicateurs statistiques qui permettent de caractériser les propriétés hydrauliques et géométriques des DFN. Par la suite, nous avons comparé les modèles PM et MM 3D entre eux. Nous avons démontré que les modèles MM sont 1.5 à 2.5 fois plus chenalisés que les modèles Poissoniens. L’effet de la structure du réseau est alors clairement identifier : chenaliser les écoulements sur quelques grandes fractures. A cela, s’ajoute le fait que la structure géométrique des MM chenalise l’écoulement mais aussi limite la perméabilité du réseau : La perméabilité PM est entre 1.4 et 5 fois supérieure à celle des MM. Dans un deuxième temps, nous avons décrit les propriétés statistiques du site de Forsmark, Suède, où devrait être construit le centre de stockage des déchets nucléaires. Les propriétés hydrauliques du site sont comparées aux résultats des modèles numériques. La problématique est alors de comparer la chenalisation observée sur le site et celle observée dans les modèles numériques. Les premiers résultats démontrent que les nouveaux DFN, défini uniquement d’un point de vue théorique, sont encore trop peu chenalisés comparé aux observations sur le site. Cependant, ces modèles numériques défini sans aucun lien avec les observations sur le terrain, laisse présager qu’une fois correctement paramétré, les propriétés hydrauliques des nouveaux DFN seront en adéquation avec les données hydrauliques le long des forages. Pour cela, une discussion sur les meilleurs indicateurs statistiques est proposée en conclusion de ce travail.
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Maillot (PhD 2015) Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes.pdf (9.11 Mo) Télécharger le fichier
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  • HAL Id : tel-02404566 , version 1

Citer

Julien Maillot. Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes (multiéchelles) à partir de simulations numériques et de modèles théoriques.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de rennes 1, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02404566⟩
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