Fracturation hydraulique et stimulation hydraulique

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1 Fracturation hydraulique et stimulation hydraulique Francois Henri Cornet, Institut de Physique du Globe de Strasbourg Principe de la fracturation hydraulique Rôle du champ de contrainte sur la géométrie é des grandes fractures hydrauliques Stimulation hydraulique : l exemple de Soultz/sous Forêts Le question posée par l exploitation des «gaz de shistes» CFMR 3 mai

2 Hydraulic fracturing The stress field close to a cylindrical hole in an elastic field is : If the borehole is parallel to a principal stress direction (Vertical) and a pressure is applied in the hole: σ θθ = (σ H + σ h ) 2(σ H σ h ) cos 2θ P w, and rupture occurs for : If the rock has been cooled ddown by mud circulation, the hoop stress is : σ θθ = KΔT /E, where K is coefficient of thermal expansion, E is Young s modulus and ΔT is the difference between far field and borehole temperature Both hydraulic fracturing and thermalcracking are mode I fractures Correctionfor pore pressure effect (still debated) CFMR 3 mai

3 Generating en echelon fractures in inclined wells Pw + Pw effects on borehole fil failure Zones where maximum stress component reach its maximum value Azimuth where minimum principal stress reaches its lowest value TOH BOH TOH TOH BOH TOH BO IF B0 IF BO IF B0 IF CFMR 3 mai 2012 Inclination of plane in which shear stress is zero 3

4 CFMR 3 mai

5 CFMR 3 mai

6 De injection d un agent de soutènement pour les vraies fractureshydrauliques CFMR 3 mai

7 CFMR 3 mai

8 Influence de la contrainte principale minimum sur la géométrie des fractures Fracturation hydraulique = Rupture de traction pure Extension spatiale des fractures hydrauliques en terrain homogène CFMR 3 mai

9 Cas des terrains sédimentaires (bassinde Paris) CFMR 3 mai

10 Stimulation hydraulique sur le site expérimental de Soultz/forêts CFMR 3 mai

11 Objectif : induire des mouvements de cisaillement le long de fractures préexistantes. Résultats dupremier essai de stimulation ( m) (Sept. 1993) CFMR 3 mai

12 Localisationdes événements microsismiques CFMR 3 mai

13 Etude à différentes profondeurs de l orientation du nuage CFMR 3 mai

14 Détermination de l orientation de la contrainte maximum horizontale à partir des ovalisations de forage et des ruptures thermiques CFMR 3 mai

15 Caratérisation des variations d orientation du nuage microsismique avec la profondeur Depth Mean Mean dip Number of interval (m)l azimuth events N179 E N165 E N146 E N 147 E 87 CFMR 3 mai

16 Variation des zones de d injection en fonction de la pression d injection CFMR 3 mai

17 Le site de Soultz aujourd hui Present situation: ti four wells have been drilled. All the wells have been stimulated by large progressive hydraulic injections at different depths and different periods to increase their connectivity. Stimulated in 1993 at m Sedimentary cover crystalline basement (granite) Stimulated in 1995 and 1996 at m and in 2000 at m Stimulated in 2003 at m Stimulated in 2004 and 2005 at m CFMR 3 mai

18 30 L/s 40 L/s 50 L/s Time domains seismic tomography with data sets adapted to the injection parameters. (Calo et al., JGI, 2011) We decided to apply the tomographic method to fourteen not-equally populated sets to better fit the sub set separation with the hydraulic parameters of the injected fluids (injection rate and wellhead pressure). Data and subset selection The whole period of the injection test has been divided into four main phases; 3 during the stimulation and 1 post-stimulation CFMR 3 mai

19 Set 1 Set 2 Set 3 Set 4 Set 5 Set 6 30 ls 1 40 ls 1 Set 7 Set 8 Set 9 Set 10 Set 11 Set ls 1 Seismicity re located with the 3D velocity models. No internal structure observed during the stimulation (sets 1 12). But the post injection seismicity (sets 13 and 14) reveals oriented structures CFMR 3 mai 2012 Calò et al., JGI, 2011 Set 13 Set 14 19

20 Conclusion sur l injection forcée On note quatre types de réponse selon l amplitude lit de la pression d injection: Réponse élastique du système; Circulation forcée dans réseau de fractures existant avec déstabilisation locale dans les plans préexistants quand τ = tgø ( n P) + C; ø et C angle de frottement et cohésion (0?)de (=0?) la fracture préexistante concernée. Création d une nouvelle zone de rupture en cisaillement τ = tgø 0 ( n P) + C 0 ; ø 0 angle de frottement interne du matériau; orientation de la normale au plan de rupture à ( /4 + ø 0 /2) de la direction de max ; C 0 cohésion de la roche saine; Développement d une fracture hydraulique si P inj min perpendiculaire à min. CFMR 3 mai

21 Le problème posé par l exploitation des «gaz de schistes» CFMR 3 mai