Vers une meilleure évaluation de l'impact de l'endommagement hydraulique pour les applications de géo-ingénierie – HydroGeoDam

Prédire l’apparition d’endommagement hydraulique dans les milieux géologiques représente un défi majeur en vue d'une exploitation durable du sous-sol. En effet, l’exploitation des ressources (géothermie), le stockage souterrain (déchets, CO2) ou même la gestion d’ouvrages (tunnel, mine) peuvent être affectés par un endommagement progressif dû à la circulation de fluide dans ces milieux déformables. De nos jours, les couplages Hydro-Mécaniques (HM) et les mécanismes de fracturation induits sont devenus une question de premier plan dans le domaine de l'ingénierie
géotechnique. Fondamentalement, ce phénomène HM implique le couplage de trois processus: (i) la déformation mécanique provoquée par la pression fluide sur les surfaces de la fissure; (ii) l'écoulement du fluide à l'intérieur de la fissure; et (iii) la propagation de la fissure elle-même. La déformation de la roche et le transport de fluide sous pression ne peuvent pas être étudiés séparément. L’objectif global de ce projet est d'améliorer notre compréhension des processus HM qui se déroulent dans des applications de géo-ingénierie pour une meilleure évaluation des risques associés et de proposer des méthodes non intrusives pour évaluer ces processus. L'idée sous-jacente est d'appliquer une telle compréhension vers la prédiction et la manipulation de la perméabilité et du transport de masse pour une amélioration de la gestion des ressources du sous-sol et de l'atténuation des risques liés aux installations souterraines. Si les phénomènes impliqués dans les processus HM sont raisonnablement bien compris à l'échelle du laboratoire, il y a encore des difficultés dans l'interprétation des données in-situ où plusieurs caractéristiques entrent en jeu (structures géologiques, hétérogénéité des matériaux et de l'état de contrainte, anisotropie,...). Cependant, notre compréhension des processus couplés impliqués est freinée par les limites des modèles numériques actuellement disponibles pour reproduire de tels phénomènes, surtout quand ils ont lieu à une plus grande échelle. Il y a, par conséquent, un besoin urgent pour construire des modèles numériques (entièrement couplé, multi-échelles, etc ...) capables de fournir une meilleure description de ces phénomènes complexes et donc d'améliorer les capacités de prédiction.
Des expériences en laboratoire 2D et 3D seront effectuées: les tests d'injection seront réalisés sur un milieu poreux saturé synthétique confiné dans une cellule d'écoulement transparente 2D et sur des échantillons de roche confinés sous hautes pressions / contraintes. Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement et de prendre en compte la problématique plus générale du changement d'échelle (depuis l'échelle du laboratoire jusqu'à l'échelle in situ), les tests HM seront effectuées sur des échantillons de tailles différentes, de l'échelle millimétrique à l'échelle métrique. Des
méthodes d'inversion entièrement couplées (basées sur des techniques actives et passives) seront développées pour caractériser ces processus couplés. L'initiation et la propagation des fractures seront étudiées en termes de vitesse d'écoulement du fluide, de la viscosité du fluide et de l'état de contrainte. Des modèles numériques multi-échelles capables de décrire et prédire ces processus seront élaborés et validés. Deux approches distinctes, basées sur la méthode des éléments discrets (DEM) et la méthode des éléments finis étendus (XFEM), seront plus particulièrement
évaluées. Enfin, les simulations numériques seront confrontées et validées par rapport à des expériences in situ réalisées dans les formations argileuses du Laboratoire de recherche souterrain de l'IRSN (Tournemire) pour étudier la pertinence de la procédure de changement d'échelle et la capacité de prévision des modèles. L'influence de l'incertitude des paramètres liée au comportement des systèmes géologiques sera étudiée pour identifier et évaluer la sensibilité du modèle.