Modélisation micro-échelle des intéractions fracture-matrice en régime multiphasique réactif – FraMatI

Afin d’obtenir une modélisation pertinente et robuste capable d’assister les exploitants du sous-sol dans l’élaboration de leurs différents scénarios, FraMatI s’appuie sur une stratégie scientifique multiéchelle, i.e. en cascade d’échelles imbriquées les unes dans les autres. L’effort principal est focalisé sur l’échelle du pore où la physique est le mieux établie. Un intérêt particulier concerne les interactions fractures-matrice : transfert de masse aux interfaces, développement de couches altérées lors de phénomènes géochimiques, expulsion ou imbibition de fluides... Un triptyque de méthodes avancées composé de Digital Rock Physics, d’expériences microfluidiques et d’imagerie tomographique permet d’améliorer la compréhension des mécanismes sous-jacents et de proposer des modélisations robustes à la grosse échelle.

Nous avons couplé le code de transport OpenFOAM avec la librairie de calcul géochimique PhreeqC. Grâce à l’approche micro-continue, la description de la physique est intrinsèquement multi-échelle : on peut décrire l’échelle du pore ou l’échelle continue avec le même formalisme mathématique. En particulier, ce type de modélisation ouvre la voie aux modélisations hybrides où par exemple la porosité d’une fracture est entièrement résolue (Navier-Stokes) et la matrice qui l’entoure est décrite par un milieu poreux (Darcy). Cette plateforme de simulation s’appuie sur des librairies libres et a pour vocation la fédération d’une communauté d’utilisateurs venant à la fois du monde académique et de l’industrie. Nous sommes aujourd’hui capables de simuler des écoulements monophasiques réactifs à l’échelle du pore (avec évolution de la structure porale lors de la dissolution des minéraux) et à l’échelle de Darcy. Nous avons réalisé un benchmark complet pour s’assurer que les résultats étaient cohérents avec les données de référence de la littérature.


Nous avons étendu l’approche micro-continue aux régimes diphasiques. Le modèle permet la modélisation hybride entre un milieu libre et un milieu poreux en régime diphasique. Il s’agit du premier modèle capable de décrire les écoulements diphasiques dans ces configurations. Ces travaux ouvrent énormément de perspectives comme l’étude des mécanismes d’expulsion ou l’infiltration d’un fluide dans un milieu poreux fracturé ou la modélisation des barrières côtières. Cette nouvelle approche améliore grandement les technologies de Digital Rock Physics (caractérisation d’une roche en simulant la physique dans une image en trois dimensions obtenue par microtomographie) en permettant les calculs diphasiques dans des images contenant de la porosité non résolue (publication soumise).

Afin de confronter ces résultats numériques à la réalité expérimentale, nous avons développé une nouvelle méthodologie pour miniaturiser les milieux poreux fracturés dans des environnements réactifs. Cette miniaturisation a été possible grâce aux techniques de microfluidique que nous développons au laboratoire. Grâce à la spectroscopie Raman, nous pouvons désormais cartographier de façon dynamique les réactions de précipitation et de dissolution dans les milieux poreux. Cette avancée technologique nous permet l’étude précise des rétroactions entre les écoulements et le colmatage ou la dissolution des pores à l’interface entre une fracture et la matrice poreuse qui l’entoure. La technique que nous avons mise en place nous permettra à terme de mieux maîtriser la formation des barrières imperméables pour contenir une pollution ou étanchéifier un réservoir de stockage. Par ailleurs, les données expérimentales de haute qualité serviront pour vérifier la pertinence des codes de transport réactifs à l’échelle du pore développés en parallèle dans le projet.

Les travaux en cours concernent les développements numériques, théoriques, et l’étude expérimentale des interaction fracture-matrice en régime multiphasique.

La plateforme se veut générique et nous étudions la possibilité de coupler d’autres librairies de calcul géochimique comme Reaktoro ou CrunchFlow. Les publications associées sont soumises et le code sera mis à disposition après acceptation.

C. Soulaine, L. Girolami, L. Arbaret, S. Roman «Digital Rock Physics: computation of hydrodynamic dispersion« Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP Energies nouvelles 76, 51 (2021)

C. Soulaine, J. Maes, S. Roman «Computational Microfluidics for Geosciences« Frontiers in Water (2021), 3, 643714

F. Carrillo, I. C. Bourg, C. Soulaine «Multiphase Flow Modeling in Multiscale Porous Media: An Open-Source Micro-Continuum Approach« Journal of Computational Physics (2020), 8, 100073

J. Poonoosamy, C. Soulaine, A. Burmeister, G. Deissmann, D. Bosbach, S. Roman «Microfluidic flow-through reactor and 3D Raman imaging for in situ assessment of mineral reactivity in porous and fractured porous media« Lab-on-a-Chip (2020), 20, 2562-2571