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Dac Thuong NGO - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Dac Thuong NGO

Modélisation numérique de la stimulation hydraulique et de la sismicité induite dans des réservoirs géothermiques profonds

Titre anglais : Numerical modeling of hydraulic stimulation and induced seismicity in deep geothermal reservoirs
Date de soutenance : 27/06/19
Directeurs de thèse : Frédéric PELLET, Dominique BRUEL

Mots clés en français : Géothermie,stimulation hydraulique,modélisation numérique,sismicité induite,mécanique de la rupture,FEM,
Mots clés en anglais : Geothermal energy,hydraulic stimulation,numerical modeling,induced seismicity,fracture mechanics,FEM,

Résumé de la thèse en français
La géothermie est une source d'énergie renouvelable pouvant servir de base pour la production d'électricité ou le chauffage, sans ou avec une émission limitée de gaz à effet de serre. Cependant, le développement et l'exploitation des réservoirs géothermiques profonds s'accompagnent généralement d'une sismicité induite - un effet secondaire qui peut susciter de vives inquiétudes auprès du public et empêcher une utilisation à grande échelle de l'énergie géothermique. La pièce maîtresse d'une installation géothermique est un échangeur de chaleur, c'est-à-dire un réservoir, situé dans des roches chaudes en profondeur. Ce réservoir de roche est créé en utilisant la technique de la stimulation hydraulique, qui consiste essentiellement à injecter un fluide à des pressions élevées pour créer de nouvelles fractures hydrauliques qui se connecteront au réseau de fractures ou de failles préexistantes. Ce faisant de nouvelles voies pour la circulation du fluide seront créées et la surface d'échange de chaleur sera considérablement augmentée. Plusieurs processus physiques couplés interviennent lors de la stimulation et de l'exploitation de réservoirs géologiques profonds. Il s'agit essentiellement de la déformation et de la rupture de la roche, de l'écoulement du fluide, et des variations de température. Ces processus couplés et dépendants du temps sont à l'origine de la propagation des fractures et de la réactivation de failles, responsable de la sismicité induite. Cette thèse de doctorat est axée sur l'utilisation de simulations numériques dans le but de mieux comprendre le comportement thermo-hydro-mécanique des réservoirs géothermiques fracturés et de déterminer le potentiel de sismicité induite. La propagation des fractures hydrauliques et la réactivation de failles préexistantes sont modélisées à l'aide du concept de matériau cohésif en combinaison avec des éléments finis cohésifs et en tenant compte des processus physiques sous-jacents (par exemple, écoulement de fluide, déformation de la roche). Différents facteurs pouvant avoir un impact majeur sur la propagation de la fracture et la réactivation de la faille sont étudiés, tels que le frottement des failles préexistantes, le débit d'injection de fluide et l'orientation des failles. Les variations de température résultant de l'injection et de la circulation d'un fluide pouvant avoir un effet à long terme sont également étudiées séparément. La sismicité induite est ensuite étudiée sous l'angle de l'utilisation de la loi de la conservation de l'énergie afin d'expliquer le mécanisme de génération d'ondes élastiques consécutif à la rupture. Le processus de conversion de l'énergie de déformation accumulée dans un système avant la rupture en énergie cinétique pendant la rupture, quelle que soit la vitesse avec laquelle la charge externe est appliquée au système, est clairement démontré. Cette approche permet de bien comprendre les facteurs qui ont un impact majeur sur l'intensité des ondes sismiques induites. Ensuite, une procédure de modélisation est proposée pour calculer les accélérations maximales induites à la surface du sol par le glissement de la faille. Ces accélérations sont utilisées pour évaluer l'intensité du séisme en relation avec la perception humaine des ondes sismiques et l'endommagement causé aux infrastructures, participant ainsi au processus d'acceptation par le public de tout nouveau projet d'exploitation géothermique.

Résumé de la thèse en anglais
Geothermal energy is a renewable resource that can provide base-load energy for electricity production or heating purposes without, or with limited, emission of green house gases. However, the development and the exploitation of deep geothermal power plants is usually accompanied by induced seismicity – a side effect that can raise serious concerns to the public and may prevent large-scale application of geothermal energy. The centerpiece of a deep geothermal power plant is a heat exchanger, i.e., a reservoir, located in hot rocks at depth. This rock reservoir is created using a hydraulic stimulation technique, which essentially consists of injecting fluid at high pressures to create new hydraulic fractures that will connect with pre-existing fractures/faults, thus multiplying possible pathways for fluid circulation. Multiple physical processes are involved during the stimulation and exploitation of the rock reservoir, including fluid flow, rock deformation of the rock, and temperature changes. These processes are the origin of the rock failure (e.g., fracture propagation, fault reactivation) that is responsible for the induced seismicity. In return, the induced seismicity can be regarded as a real-time indicator of the spatial progress of the reservoir during hydraulic stimulation. This doctoral research focuses on the use of numerical simulations to better understand the behavior of fractured geothermal reservoirs and the potential of induced seismicity. The propagation of hydraulic fractures and the reactivation of pre-existing faults are modeled using the cohesive material concept in combination with finite cohesive elements and taking into account the underlying physical processes (e.g., fluid flow, rock deformation). Various factors that may have a major impact on fracture propagation and fault reactivation are investigated, such as the friction condition of the pre-existing faults, the fluid injection rate, and the fault orientation. Temperature changes resulting from fluid injection and circulation that may have a long term effect are also separately investigated. The induced seismicity is first studied from the standpoint of using the law of energy conservation in order to explain the mechanism of elastic waves generation due to failure. The process of converting the strain energy accumulated in a system prior to the failure into kinetic energy during failure, regardless of how slowly the external load is applied to the system, is clearly demonstrated. This approach provides a good understanding of the factors that have a major impact on the intensity of the induced seismic waves. A modeling procedure is then proposed to calculate the peak ground accelerations that are induced by the fault slip. The computed accelerations on the ground surface are used to assess the earthquake intensity, the human perception of the seismic waves, and the damage potential to infrastructures.

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