Resolving thermo-hydro-mechanical coupling: spontaneous porous fluid and strain localisation

Thèse soutenue par Ludovic RÄSS, le 21 mars 2018, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

Suite à la prise de conscience des risques environnementaux et leurs impacts sociétaux liés à l’exploitation des ressources énergétiques fossiles, passablement d’efforts ont été investis dans le développement de nouvelles solutions de stockage à long terme de quantités importantes de déchets dans le sous-sol.

Prédire l’évolution et la réponse à long terme des formations géologiques servant de confinement devient une étape indispensable afin de garantir une séquestration sûre des déchets nucléaires ou des gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone ou le méthane, qui jouent un rôle clé dans le contexte actuel de changement climatique. Les prédictions peuvent être réalisées en utilisant des outils de modélisation numérique, permettant de simuler des processus thermiques, hydrauliques, chimiques et mécaniques, actifs dans les environnements de confinement. Ces modèles couplés permettent une caractérisation plus précise de la réponse des formation géologiques et sont capables de prédire si la stabilité du système est assurée pour le future.

Un grand nombre d’observations à l’échelle du Globe suggèrent une migration chenalisée des fluides au travers des roches poreuses dans le sous-sol, et non pas par un écoulement diffus, comme précédemment considéré. La migration localisée des fluides s’organise en chenaux d’écoulement préférentiels, leur permettant même de traverser des roches à priori imperméables. Toutefois, les modèles actuels ne permettent pas de reproduire ces observations de premier ordre, notamment les évidences de localisation des fluides et de la déformation associée des roches poreuses. Les principales raisons sont le manque de résolution spatiale des modèles numérique, une trop grande simplification des processus physiques modélisés ainsi que des couplages mal ou non résolus entre les divers processus hydraulique, thermique et mécaniques.

Dans ce travail de thèse, je propose d’utiliser des superordinateurs permettant de résoudre avec des résolutions très élevées les processus de localisation dans des milieux poreux déformables en trois dimensions. Les algorithmes développés utilisent plus de 5’000 processeurs graphiques – des GPUs – en parallèle, disponibles sur le troisième plus performant superordinateur du monde Piz Daint à Lugano, ainsi que les 136 GPUs du superordinateur octopus, développé à l’Institut des sciences de la Terre de l’Université de Lausanne.

Les résultats attestent de la convergence de la méthode et confirment le fait qu’un couplage important entre déformation, écoulement des fluides et diffusion de la chaleur permet la formation de chenaux à perméabilité élevée, ainsi que la localisation de la déformation. En prenant en compte les paramètres pétro-physiques caractéristiques des roches situées dans des bassins sédimentaires, ces écoulements préférentiels reproduisent les observations naturelles.

Prédire la formation et la propagation de chenaux à perméabilité élevée est vitale afin de mieux prévenir de potentiels risques de fuites et de fournir des solutions sûres pour les générations futures en termes de stockage des déchets à risque. De plus, la flexibilité de ce nouvel outil numérique permettra également son applicabilité à des problèmes géologiques analogues, tels que la simulation en milieu multiphase.

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