Thèse soutenue par Simon Lissa, le 20 octobre 2021, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
La présence de fractures dans la croûte terrestre peut réduire la rigidité des roches et augmenter leur perméabilité hydraulique. Ces caractéristiques jouent un rôle important dans plusieurs activités souterraines. Par exemple, la rigidité de la roche est importante pour les constructions d’ingénierie telles que les barrages, les tunnels et les bâtiments. Etant donné que les fractures constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement du fluide, leur présence est indésirable dans les roches destinées à sceller les réservoirs de séquestration géologique du CO2. D’autre part, elles sont souvent induites artificiellement dans les roches pour l’extraction d’hydrocarbures non conventionnels ou la production d’énergie géothermique.
Pour ces raisons, leur identification et leur caractérisation au moyen de techniques géophysiques non invasives sont d’un grand intérêt. En raison de la sensibilité des ondes sismiques à la présence de fractures dans les roches, les méthodes sismiques sont potentiellement capables de fournir des informations sur celles-ci. En particulier, si les ondes sismiques qui se propagent dans des roches poreuses saturées et fracturées ont des longueurs d’onde supérieures à la taille des fractures, l’amplitude et la vitesse des ondes peuvent être affectées par la diffusion de la pression du fluide.
Ce processus se produit parce que les fractures sont plus compressibles que la roche encastrée et, par conséquent, la déformation causée par une onde sismique augmente la pression du fluide dans les fractures plus que dans le roche poreuse hôte. Ensuite, les gradients de pression de fluide induits par les ondes entre la fracture et le roche poreuse hôte sont équilibrés par la diffusion de la pression de fluide qui dissipe l’énergie sismique en chaleur en raison de la friction dans le fluide.
Ce processus peut également se produire entre des fractures hydrauliquement connectées ayant des orientations différentes et qui sont donc comprimées différemment par l’onde. Le même phénomène se produit à l’échelle micro (ou à l’échelle des pores) entre les micro-fractures et est connu sous le nom de squirt flow. Les effets de ce processus multi-échelle sur la réponse sismique ont été étudiés au moyen de méthodes analytiques, numériques et expérimentales en considérant, en général, des formes géométriques simples pour modéliser les fractures. Les résultats suggèrent le potentiel élevé des méthodes sismiques pour fournir des informations sur les propriétés hydromécaniques des roches fracturées.
Cependant, les fractures sont des éléments complexes présentant des parois rugueuses et courbes avec des zones de contact. La motivation principale de cette thèse est d’analyser les effets que des géométries réalistes de fractures ont sur la réponse sismique. En particulier, nous étudions l’atténuation sismique et la dispersion des vitesses dues à la diffusion de la pression du fluide à deux échelles. A l’échelle micro, nous explorons l’impact d’une micro-fracture interconnectée avec des parois rugueuses sur la réponse sismique due au squirt flow. Dans ce sens, nous montrons que l’ouverture minimale des micro-fractures joue un rôle prédominant dans la fréquence sismique correspondant à l’atténuation maximale.
Afin d’envisager des modèles numériques entièrement basés sur la véritable géométrie des micro-fractures, nous développons un flux de travail numérique de physique des roches appliqué à un marbre de Carrare traité thermiquement qui présente une atténuation significative des ondes P et S due au squirt flow entre les micro-fractures interconnectées. à l’échelle méso, nous analysons les effets de la densité et de la distribution des zones de contact sur la réponse sismique due à la diffusion de la pression du fluide entre les fractures et le roche poreuse hôte.
En utilisant ces résultats, nous validons la représentation des fractures ayant des parois rugueuses et des zones de contact au moyen de couches planes simples poroélastiques pour rendre compte de la réponse sismique anisotrope du modèle pour tous les modes d’onde. Cependant, la présence d’une légère courbure du plan de fracture déclenche une dissipation d’énergie supplémentaire dans le roche poreuse hôte et à l’intérieur de la fracture qui est contrôlée par la perméabilité de la fracture.
