Modélisation des écoulements en milieu géologique fracturé Application à la géothermie profonde

Transcription

1 Sujet de Thèse 2015 GEMP Modélisation des écoulements en milieu géologique fracturé Application à la géothermie profonde Manuel MARCOUX - Rachid ABABOU marcoux@imft.fr ababou@imft.fr Image École Doctorale SDU2E La Soufrière (Guadeloupe) Financement ADEME ( ) 1/15

2 Principe Utilisation des puits pour aller chercher de l eau à une température située entre 150 et 200 C dans des couches géologiques supérieures Exploitation de la chaleur et production d électricité. 2/15

3 Projet d envergure nationale Objectifs : Programme Investissements d Avenir (2014) 3/15

4 Consortium 4/15

5 Démonstrateur 5/15

6 Contribution de l IMFT Calcul de propriétés d écoulement effectives de réseaux de fractures (tenseur de perméabilité, porosité connectée, index de connectivité) et de la matrice associée aux fractures non connectées (tenseur de perméabilité) à partir de paramètres de fracturation statiques et de propriétés hydrauliques des fractures et de la matrice (roches). Echanges fractures/matrice Détermination des lois caractérisant les échanges d'eau et d'énergie entre les fractures et la matrice poreuse à l échelle d une maille de calcul. Développer des théories permettant de prédire les paramètres intervenant dans ces lois. GEMP => thèse Calcul des écoulements dans le puits / thermo-hydraulique du puits. Calcul des pertes de charge (verticales), des profils de température et des changement de phase à l'intérieur du puits, depuis le fond vers la surface. Couplage avec le simulateur de réservoir, Interface => Post-doc (cf. Catherine Colin) Etape finale Couplage Réservoirs/Puits Simulation en simple ou double milieu des écoulements et transports de masse et chaleur dans les réservoirs fracturés & couplage avec écoulements en puits GEMP + Interface => Post-doc en fin de projet 6/15

7 Problématique Double milieu Milieu fracturé matrice poreuse Difficultés Echelles très différentes =>Deux type d écoulements différents à échelle locale Fortes anisotropie et inhomogénéité des propriétés de l écoulement Objectifs Définir un modèle d écoulement à l échelle macroscopique Déterminer les paramètres d écoulement équivalents à l échelle macroscopique Reproduire le comportement hydraulique et thermique dans le milieu poreux fracturé 7/15

8 Méthodologie générale Reconstruction d une structure poreuse fracturée 3D représentative du milieu réel à partir des données de terrain (parcellaires) à l aide d outils de génération de fissures et de techniques d optimisation L Établissement des équations homogénéisées à l échelle macroscopique (modèles simple milieu, double milieu avec termes d échange, couplages physiques ) Détermination des paramètres effectifs caractérisant les écoulements et les transferts à l échelle macroscopique par les techniques de changement d échelle: «upscaling» σ-phase β-phase l β r 0 Résolution numérique du système mathématique macroscopique Confrontation avec les mesures sur démonstrateur Etude de cas, optimisation du système 8/15

9 Caractérisation du milieux fracturé 3D Données de terrain cartographie structurale du milieu (traces de fractures): donnant la densité des fractures Exemple «Pole plot» : représentation polaire de l orientation (ϴ, ϕ) des fractures ϴ, ϕ 9/19 9/15

10 Génération statistique du réseau de fractures Données insuffisantes Simulation du système de fractures (conditionnellement ) Localisation des centres de fractures : Loi de distribution de poisson dans le domaine géométrique. Orientation des fractures: oi de distribution uniforme. Densité de fractures: Déterminées par les données du terrain avec ajustement. Permet de définir plusieurs densités représentatives (ϱ 03, ϱ 13, ϱ 23) Ouverture des fractures: Qualitatives, uniquement avec ajustement. Critères d optimisation: Minimisation de l écart entre l histogramme de fréquences observé et simulé Minimisation de l écart entre le nombre d intersection avec le forage observé et simulé Tailles des fractures: Loi de distribution de puissance 10/15

11 Exemple de milieu fracturé 3D obtenu Optimisation du milieu fracturé 3 D Algorithme d optimisation Reconstruction 11/15

12 Modèle simple-milieu Conservation de la masse Modèle hydraulique Darcy Modèle double-milieu Tenseur de perméabilité effective du milieu poreux fissuré Coefficient d échange matrice-fracture Valeur? + Modèle thermique, couplages 12/15

13 Détermination des coefficients effectifs «Upscaling» Expression de la perméabilité équivalente pour chaque fracture (F) + technique de superposition α En simple milieu K ij = k ( k ) Αi Αt En double milieu ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) [( δ n n ) K + n n K ] ij i j A i j H K ˆ M = K M δ ( Kˆ ) F ij = k Α Α ( k ) T ( k ) ( k ) ( k ) [( ij ni n j ) ϕ K F ] et α = δ ( ) 2 π 2 K λ 13/15

14 Exemple de résultat Site de stockage géologique des déchets nucléaires (FEBEX) Coefficient d échange α P=0. 7 P=0 P=2. 1 Tenseur de perméabilité K Simulation macroscopique Domaine de simulation: 70 m x 100 m x 70 m 14/15

15 Bilan Travail de thèse Application de cette approche au cas de la géothermie profonde Exploitation des données de terrain issues de travaux des partenaires Guidage pour mesures complémentaires Développement et validation des modèles macro: - adaptation du modèle d écoulement - implémentation de la partie thermique - prise en compte des couplages Détermination et analyse des paramètres effectifs Obtention de simulation hydraulique 3D du continuum équivalent qui reproduit l hétérogénéité de la densité de fracturation. Simulation du site réel (plateforme logicielle) Confrontation avec mesures sur démonstrateurs. Enrichissement de la plateforme logicielle dédiée Lien vers l écoulement dans les puits 15/15