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Comportement hydromécanique des failles et la sismicité induite lors de l'injection de CO2 – FISIC

Evaluer la stabilité des failles lors du stockage géologique du CO2

La « déstabilisation » d’une faille liée à l’injection en profondeur de CO2 signifierait : <br />- Création d’un chemin préférentiel de fuite pour le CO2 stocké; <br />- Création d’un (micro-)séisme pouvant potentiellement être ressenti en surface.

Mieux comprendre le comportement hydro- mécanique et chimique d’un objet géologique complexe et hétérogène

L’injection du CO2 dans les formations profondes peut affecter l’équilibre hydraulique, mécanique mais également chimique du système. Notamment, l’augmentation de la pression de fluide saturant le massif, due à l’injection, a un impact sur le niveau de contrainte s’exerçant sur les failles. De plus, les réactions du CO2 avec la structure de la faille peuvent dégrader sa résistance. Ces processus se traduisent comme une diminution du frottement et ainsi peuvent créer une rupture sur une partie de la faille pouvant éventuellement générer une sismicité. <br />D’une manière courante, le comportement des failles est évalué en utilisant des modèles simples considérant des lois globales, de type critère de Mohr-Coulomb. Ces modèles sont très utiles pour avoir une première idée du niveau de la pression (ou de débit) d’injection acceptable mais ils ne peuvent pas être utilisés dans le cadre d’une analyse détaillée. Plus spécifiquement, ces modèles contiennent des approximations trop importantes (e.g. non prise en compte du caractère hétérogène d’une zone de faille, considération des failles comme des objets linéaires, …), alors qu’une faille n’est pas constituée d’une fracture nette mais est une zone très hétérogène contenant un ensemble des joints et de fractures distribués dans les différentes orientations et avec des tailles et des densités différentes. <br />L’objectif du projet ANR-FISIC est donc de développer des modèles théoriques et des outils numériques pour la simulation précise du comportement non seulement hydromécanique, mais également chimique des failles lors de l’injection de CO2 en profondeur afin de mieux évaluer le risque potentiel de leur rupture.

Le concept central du projet FISIC est la représentation d’une zone de faille composée de deux unités structurales majeures : le cœur de faille et la zone endommagée. Cette dernière unité est composée d’un ensemble de fractures distribuées dans les différentes orientations et avec des tailles et des densités différentes. Afin de mieux appréhender le comportement complexe de cet objet géologique, nous proposons de prendre en compte :
1. le caractère hétérogène de l’objet « zone de faille » en considérant une distribution statistique des fractures établie à partir d’études géologiques de terrain (site de Navacelles et de Boltana).
2. l’effet des réactions chimiques sur le comportement des réseaux de fractures ainsi que de le cœur de faille en faisant des essais laboratoires innovants sur les échantillons pré-fissurés ou pas avec des tailles différentes.
Un modèle intégrant les processus hydro- chimique mécaniques des fractures et de la zone faillée sera alors développé et son application sera illustrée à travers des cas d’études réalistes construits à partir des données de terrains réelles.

Etudes géologiques :
Bien qu’aucune injection de CO2 soit prévue à Navacelles (Sud de la France), ce site peut être considéré comme un bon analogue d’un réservoir potentiellement ciblé pour le stockage de CO2, car l’étude de la géologie régionale indiquerait une zone tectoniquement peu déformée, i.e. peu fracturée et donc avec peu de lieux potentiels de fuite. Cependant, les études de terrain ont pu mettre en évidence une typologie complexe de zones de failles à l’échelle réservoir (1-10m), qui s’écartent de la vision conventionnelle d’une faille assimilée à un plan discret. L’analyse (encore en cours) permettrait d’acquérir une meilleure connaissance de ces objets géologiques difficilement caractérisables en profondeur à cause des limites de résolution des études sismiques.

Etudes expérimentales :
Les premières études en laboratoire de suivi par imagerie optique de la propagation d’une fracture dans une roche calcaire (constituant les réservoirs cibles potentiels de stockage) ont pu mettre en évidence la relation complexe entre propriétés de résistances mécaniques et la composition des fluides des réservoirs et plus particulièrement l’effet de la salinité. Il a été montré que l’énergie nécessaire pour ouvrir une fracture peut varier du simple au double selon la salinité du fluide. Les études à venir se focaliseront sur l’effet conjoint de la composition des fluides et du CO2.

La perspective finale du projet est de se doter d’une batterie de modèles théoriques et d’outils afin de mieux évaluer le risque de réactivation des failles liée à l’injection du CO2 en profondeur.

La relation entre la propagation dite « sous-critique » d’une fracture dans une roche calcite et la composition du fluide réservoir a été publiée dans le journal Tectonophysics (Rostom, F., Røyne, F., Dysthe, D. K., and Renard, F. (2013) Effect of fluid s

Le principal objectif du présent projet est de développer des modèles théoriques et des outils numériques pour la simulation précise du comportement hydromécanique des failles lors de stockage du CO2. L’injection du CO2 dans les formations profondes affecte l’équilibre hydro-chimico-mécanique du système. Notamment, l’augmentation de la pression de fluide saturant le massif, due à l’injection, diminue le niveau de la contrainte effective (dans le sens de la mécanique des sols) s’exerçant sur les failles. De plus, les réactions du CO2 avec la structure de la faille peuvent dégrader sa résistance. Ces processus se traduisent comme une diminution du frottement et ainsi peut créer une rupture sur une partie de la faille. En particulier, dans les zones à forte activité sismique, l’état des contraintes est proche de l’état critique et des petites perturbations dans l’état de contraintes peuvent engendrer le glissement des failles ou des fractures. D’une manière courante, le comportement des failles est évalué en utilisant des modèles simples considérant des lois globales. Ces modèles sont très utiles pour avoir une première idée du niveau de la pression (ou de débit) d’injection acceptable mais ils ne peuvent pas être utilisés dans le cadre d’une analyse détaillée.

En fait, ils contiennent d’une part des approximations trop importantes (e.g. non prise en compte du caractère hétérogène d’une zone de faille, considération des failles comme des objets linéaires, …) et d’autre part ils ne nous permettent pas d’évaluer les conséquences d’une éventuelle réactivation de failles. Une faille n’est pas constituée d’une fracture nette mais est une zone très hétérogène contenant un ensemble des joints et de fractures distribués dans les différentes orientations et avec des tailles et des densités différentes. Dans le cadre du projet FISIC, nous proposons de prendre en compte ce caractère hétérogène à travers des distributions statistiques et des modèles probabilistes. Pour ce faire, la faille sera considérée comme une zone avec une distribution statistique des fractures. L’effet des réactions chimiques sur le comportement des réseaux de fractures ainsi que de la gouge sera étudié en faisant des essais innovants sur les échantillons pré-fissures ou pas avec des tailles différentes. Ces essais seront complétés par une série de simulations numériques basées sur les méthodes de la physique statistique.

Ceci nous permettra d’une part de bâtir des modèles probabilistes de fracturation et d’autre part d’avoir une idée de l’effet de la taille d’échantillons sur son comportement à la rupture. Des méthodes mathématiques très robustes basées sur la mécanique de l’endommagement et la méthode d’homogénéisation seront développés. Ces outils nous permettrons de modéliser numériquement des réseaux de fractures très denses identifiés à partir des observations in-situ. Finalement, un modèle de la faille à grande échelle prenant en compte différents compartiments (zone endommagée, la gouge, …) sera développé. Les capacités de la méthodologie développée seront illustrées à travers des cas d’études réalistes construits à partir des données de terrains réelles.

Coordinateur du projet

Monsieur ROHMER JÉRÉMY (BRGM) – j.rohmer@brgm.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ARMINES ARMINES - GEOSCIENCES
Alneos Alneos
BRGM BRGM
Navier - ENPC Paris Laboratoire Navier - Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Paris
ISTerre - UJF Institut des Sciences de la Terre - UJF - GRENOBLE 1

Aide de l'ANR 668 730 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 48 Mois

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