Écoulements diphasiques en fractures ouvertes géologiques: une étude combinant expériences analogues et simulation numérique – 2PhlowFrac

De nombreuses applications géotechniques et industrielles du sous-sol, telles la production d'énergie par géothermie ou le stockage souterrain de fluides dans les formations profondes, mettent en oeuvre des écoulements en milieux fracturés. Quand deux fluides immiscibles coexistent, l'écoulement provoque le déplacement des interfaces fluide-fluide. Cet écoulement dit diphasique peut conduire à une grande complexité des distributions spatiales des phases fluides, selon la vitesse moyenne d'écoulement, les viscosités et densités des fluides, les propriétés de leur interface, et la géométrie du milieu perméable. Dans le cas des milieux poreux, la riche phénoménologie qui en découle a été étudiée en détail au cours des 20 dernières années. Dans le cas des fractures géologiques, au contraire, sa caractérisation est encore balbutiante. Le premier objectif principal de ce projet est de l'étudier systématiquement en fonction des propriétés des fluides, des conditions d'écoulement, et de la géométrie (et fermeture) de la fracture.

L'approche choisie pour ce faire et une combinaison (i) d'expériences analogues sur des dispositifs synthétiques transparents permettant de reproduire une géométrie de fracture réaliste tout en permettant la mesure de la distribution spatiale des phases fluides et de leurs vitesses; et (ii) de simulation numérique de l'écoulement diphasique dans le volume de la fracture, fondée sur la résolution des équations de la mécanique des fluides. Les expériences seront montées à Géosciences Rennes, tandis que les simulations numériques seront développées principalement à l'Université de Hanovre. Un modèle numérique innovant fondé sur le calcul direct des vitesses moyennées sur l'épaisseur de la fracture sera aussi développé conjointement par les deux groupes, dans le but de combiner qualité de prédiction et efficacité calculatoire. La caractérisation systématique des écoulements diphasiques en fractures rugueuses à partir des données expérimentales et numériques sera menée conjointement par les deux groupes.

Pour simuler les applications pratiques aux échelles de l'ordre de 100 m ou du km, l'échelle des interfaces fluides ne peut être résolue. Pour prédire les écoulements, on fait alors appel à des modèles dits "à l'échelle du milieu continu", qui ne sont pas fondées sur les équations fondamentales de la mécanique des fluides mais sur des lois de Darcy. Ces modèles sont connus pour mal prédire certaines observables à grande échelle, telles que la quantité de fluide déplacé restant dans le milieu, surtout dans le cas d'instabilités des interfaces fluide-fluide. Le second objectif principal de ce projet est d'améliorer ce type de prédiction à grande échelle dans les fractures rugueuses en utilisant la connaissance nouvellement acquise sur la phénoménologie des écoulements diphasiques en milieux poreux pour optimiser la paramétrisation des modèles à grande échelle et déterminer quelles configurations peuvent être correctement prédites.