Seismic Characterization of Heterogeneous Sedimentary and Fractured Rocks Based on Biot’s Theory of Poroelasticity

Thèse soutenue par Marco Milani le 4 décembre 2015, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

Bien connaître les propriétés hydraulique de sub-surface est essentiel pour de nombreuses applications, comme la gestion durable des ressources souterraines en eau, l’optimisation de la production d’hydrocarbure et d’énergie géothermique, ou encore la sécurisation de stockages géologiques (déchets radioactifs ou CO2). La perméabilité est la plus importante de ces propriétés afin d’obtenir des prévisions fiables des écoulements de fluide ou de contaminants. Cependant, cette propriété est aussi la plus difficile à quantifier, car elle n’est mesurable uniquement que lors de mesures de terrain, ou de tests expérimentaux dédiés, et encore avec une précision faible d’un ordre de grandeur.

D’autre part, il y a un grand intérêt à comprendre et quantifier la dissipation d’énergie sismique dans les roches poreuses et saturées en eau, qui se manifeste en termes de dispersion de vitesse et d’atténuation, étant donné que l’on peut en extraire des informations non seulement sur les propriétés mécaniques mais aussi sur les propriétés hydrauliques. De plus en plus d’études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l’onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l’abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu’à l’ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d’énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d’onde. Comparé à des expériences directes de mesures hydrauliques, cette approche géophysique est plus efficace en temps, en coûts, et présente aussi l’intérêt d’être non-invasive. De plus, l’étendue des mesures sismiques tend à combler l’écart de résolution et de pénétration qui existe entre les mesures hydrauliques de laboratoire et à l’échelle du réservoir.

L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer notre compréhension de comment le mécanisme de WIFF aux échelles macroscopique, mésoscopique et microscopique, affecte la dispersion des vitesses et l’atténuation des ondes sismiques, et aussi comment les mesures correspondantes peuvent être reliées aux propriétés hydrauliques sous-jacentes. Dans cette optique, nous avons analysé un jeu de données provenant d’un forage. Nous avons ensuite réalisé une étude numérique concernant la dimension d’un volume élémentaire représentatif (VER) en présence de forts contrastes de rigidité comme cela peut arriver dans les roches fissurées et en présence de saturation partielle. Enfin, nous avons développé un nouveau modèle théorique décrivant le mécanisme de WIFF dans les milieux stratifiés, à la fois aux échelles macroscopiques et mésoscopiques.

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