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Modélisation numérique de la sismicité induite retardée dans les réservoirs géothermiques

Modélisation numérique de la sismicité induite retardée dans les réservoirs géothermiques

Numerical Modeling of Delayed Seismicity in Enhanced Geothermal System

Proposition de thèse

Spécialité

Géosciences et géoingénierie

Ecole doctorale

GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Directeur de thèse

PELLET Frédéric

Unité de recherche

Géosciences

ContactFrédéric Pellet
Site Web
Mots-clés

Géomécanique, Modélisation Numérique,, Statistique élémentaire

Geomechanics, Numerical Modeling, Statistics

Résumé

Ce projet de recherche vise à développer un simulateur numérique pour la modélisation de l'ensemble du processus d'exploitation qui se déroule en profondeur. Ce simulateur de géo-ingénierie comprendra les trois modules suivants:
? Thermo-Hydro-Mécanique de la fracturation dynamique de roches dans un environnement pré-fracturé
Un facteur limitant à l'exploitation du réservoir est la perméabilité hydraulique potentiellement faible des formations naturellement fracturées qui peut, être localement initialement amélioré au puits par un choc thermique et mise en pression, et lors de l'exploitation, être responsable de changements de régimes pressions plus tardifs mais importants. Dans ce contexte, la modélisation Thermo-Hydro-Mécanique (THM) permet de reproduire l'évolution des contraintes mécaniques liée aux perturbations des régimes de pressions de pores et de températures, consécutifs aux opérations d'injection-production de fluides. Par ailleurs, les fluides injectés à haut débit sur de longues périodes dans des réservoirs peu perméables sont susceptibles d'initier et propager de nouvelles fractures, activant potentiellement des éléments de failles plus grands. Il en résulte une émission de l'énergie responsable d'événements micro-sismiques. La modélisation de ce phénomène sera traitée par le candidat à l'aide de la méthode des éléments finis étendue (XFEM) qui est une technique numérique reposant sur la théorie de la mécanique élastique linéaire de la fracture (LEFM). La LEFM permet la modélisation de l'initiation et de la propagation des fissures suite à la variation de la pression interstitielle résultant de la stimulation hydraulique. La modélisation THM sera réalisée en formulation dynamique avec des algorithmes appropriés que le candidat devra développer.
? Analyse inverse et modélisation de la propagation des ondes sismiques
Les ondes sismiques, résultant de la rupture fragile et dynamique de la roche, sont mesurées expérimentalement sur des échantillons à l'échelle du laboratoire en utilisant la technique de l'émission acoustique. Sur le terrain, la propagation de ces ondes donne un signal sismique qui est caractérisé par l'accélération mesurée en surface. Sur la base des mesures sismiques et à l'aide d'algorithmes d'analyse inverse, il est possible de localiser le lieu d'amorçage de la fissure et d'évaluer son extension. Dans le présent travail, il est proposé d'étendre cette approche en analysant les enregistrements sismiques pour déterminer, non seulement certaines caractéristiques de la géométrie du réseau de fractures, mais aussi les propriétés hydromécaniques du réservoir géothermique. De plus, cela permettra de calibrer les paramètres constitutifs du modèle THM décrit ci-dessus.
? Modélisation géomécanique stochastique
La dernière partie de ce projet de recherche est consacrée à la quantification des incertitudes au moyen de modélisations géomécaniques stochastiques avancées. Ces incertitudes concernent la connaissance du régime de contraintes initiales, ainsi que les informations sur l'emplacement et l'extension des réseaux de fractures préexistants. Le but final est de mieux contraindre le modèle géomécanique pour déboucher sur un scénario de modélisation fiable.

This project intends to develop a comprehensive numerical simulator for the modeling of the entire exploitation process taking place at depth. This Geo-Engineering simulator will include the following three modules:
 Thermo-Hydro-Mechanical of the dynamic process of rock fracturing in a natural pre-fractured environment
A well known limiting factor is the potentially low hydraulic permeability of the naturally fractured formations that can result into inappropriate pressure changes. In this context, the Thermo-Hydro-Mechanical dynamics modeling (THM) aims to reproduce the changes in terms of mechanical stress and strain, associated with the change in pore pressure regime and temperature, due to the operation of water production-injection. Actually, the high pressure fluids injected into tight reservoirs are expected to initiate or propagate fractures and activate critically stressed faults, which emit energy in the form of micro-seismic events. The modeling of this phenomenon will be treated using the eXtended Finite Element Method (XFEM) which is a numerical technique, relying on Linear Elastic Fracture Mechanics theory (LEFM). LEFM allows the modeling of crack initiation and propagation due to the change in pore pressure resulting from hydraulic stimulation, in any given far field stress context. THM modeling will be performed in dynamics formulation with appropriate algorithms, because the brittle failure of hard rock is a dynamic process.
 Inverse analysis and modeling of seismic waveÂ's propagation
The dynamic brittle failure of rock also generates seismic waves which can be experimentally measured at a lab scale, on rock specimen using Acoustic Emissions technique. On the field these waves propagation give a seismic signal which is characterized by the Peak Ground Acceleration. Based on the seismic measurements, it is possible to locate the crack initiation and to assess the crack extension using inverse analysis algorithms. In the present work, it is proposed to extend this approach by analyzing the seismic records to determine, not only some characteristics of the fracture network geometry, but also the hydro-mechanical properties of the geothermal reservoir. Moreover, this will allow one to calibrate the constitutive parameters of the THM model described above.
 Stochastic geomechanical modeling
The last part of this research project is devoted to the appraisal of uncertainties through stochastic geomechanical modeling. The latter encompasses the knowledge of the initial stress regime, as well as information on the location and the extension of pre-existing fracture networks. Because all these data are quite uncertain, advanced stochastic modelling is required to determine the most likely scenarios to better constraint the geomechanical model

Contexte

La géoénergie est une ressource énergétique renouvelable non intermittente de la Terre dont l'usage permet de limiter les émissions de gaz à effet de serre. Les réservoirs géothermiques considérés sont situés dans des bassins profonds, dans des fossés d'effondrement ou dans des zones volcaniques. La production d'électricité à partir de la géoénergie nécessite la production de fluides à des températures supérieures à 150 ° C et à des débits importants. Ainsi, les exploitations géothermiques profondes sont associées à une circulation de fluides avec ré-injection de fluides refroidis sur le long terme et à des perturbations des contraintes effectives à grande profondeur dans des zones fracturées et faillées en connexion avec le socle, qui peuvent générer des séismes. Afin de réduire ce risque sismique, commun à tous les systèmes prévoyant une réinjection massive de fluides, il est primordial de pouvoir prédire de manière fiable les changements thermo-hydro-mécaniques induits par l'exploitation du réservoir, de son plus jeune âge jusqu'à la fin son exploitation.

Geoenergy is one of the most promising techniques to exploit renewable energy resources from the Earth in order to limit emissions of green house gas. Producing electricity from geoenergy requires producing fluids at temperatures larger than 150 °C and at significant mass rates. Such targets can be found either in deep basins, in faulted basements or in volcanic areas. Thus deep geothermal exploitations are associated to long term fluid circulation and stress perturbations at great depth, in fractured and faulted zones with possible connections to the basement and are likely associated to a risk of triggering earthquakes and inducing seismicity. In order to mitigate this risk, it is of the utmost importance to be able to consistently predict the thermo-hydro-mechanical changes brought about by the geothermal reservoir exploitation, from the early age to the completion

Encadrement

Le directeur assurera la responsabilité du travail de recherche en faisant appel à l'expertise des deux co-encadrants dans leurs domaines de prédilection

Profil candidat

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Références

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Type financement

Autre type de financement

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