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Les modèles traditionnels suffisent-ils comme outils d’expertise dans les milieux hétérogènes ?

Les modèles traditionnels, supposant une dispersion gaussienne (Gelhar, 1993), suffisent-ils comme outil d’expertise pour la protection et la gestion des ressources hydriques ou énergétiques (e.g. thermiques) dans les milieux hétérogènes ?

De nombreux exemples montrent le contraire avec, par exemple, une reduction des temps de transferts les plus rapides, parfois de plusieurs ordres de grandeur. Les flux sont en effet contrôlés par l’hétérogénéité du réservoir venant des caractéristiques géologiques et pétrophysiques de la matrice, ainsi que de l’historique de déformation et de la diagenèse. Ces hétérogénéités de structure sont rencontrées de l’échelle du µm au km. Leur hiérarchisation contrôle les écoulements, la migration des espèces dissoutes (e.g. polluants ou hydrocarbures) et, in fine, les transferts fluide-roche irréversibles (i.e. dissolution et précipitation, principalement).


Actuellement, il n’existe que peu de modèles qui permettent de décrire les relations structures-écoulement-transport à partir d’observables. Pour développer de nouvelles théories, tester, puis valider les outils de calcul, une prise en compte fine des structures qui forment le réservoir est indispensable.

Notre approche de cette thématique se décline suivant quatre axes principaux. 1) La mise en oeuvre et caractérisation, in-situ, de sites expérimentaux pérennes et des moyens d’observation à long terme du comportement hydrodynamique et géophysique du système. 2) Le développement d’outils et de protocoles permettant de réaliser des mesures précises aux différentes échelles opérationnelles. 3) La réalisation d’expériences hydro-géophysiques sur site et au laboratoire permettant, à partir de la mesure directe des flux et des caractéristiques du milieu, d’individualiser les processus de transferts hydro-pétro-géochimiques et leurs couplages respectifs aux différentes échelles de temps. 4) Le développement d’outils de modélisation pour réaliser des expériences numériques et ainsi tester les modèles permettant d’explorer les constantes de temps inaccessible à l’expérimentation physique.

A terme, notre objectif est d’établir des simulateurs hydrodynamiques opérationnels permettant, à partir de données mesurables sur le terrain et en laboratoire, de prédire le comportement hydrodynamique des réservoirs en fonction de ses caractéristiques spatio-temporelles, des perturbations naturelles ou induites par leur exploitation, perturbation ou remédiation. Cette approche fait suite aux travaux entrepris depuis dix ans, principalement dans le cadre du projet Européen ALIANCE, de l’ORE H+, ou de contrats industriels.

Caractérisation et suivi des sites expérimentaux

Observatoire du sous-sol - Maguelone
Les travaux proposés sont génériques puisqu’ils peuvent servir de base aussi bien à la modélisation des transferts dans les aquifères de surface qu’à celle, par exemple, des hydrocarbures dans les réservoirs pétroliers plus profonds. A ce titre, les travaux expérimentaux au laboratoire sont réalisés sur des échantillons provenant des sites expérimentaux à faible profondeur, eux-mêmes analogues de réservoirs exploités parfois à grande profondeur dans les bassins sédimentaires. Cette approche permet d’étudier une large gamme d’hétérogénéités de structures qui constituent les principales difficultés rencontrées dans ce domaine.

A échelle du site, notre investigation expérimentale est restreinte aux faibles profondeurs pour des raisons techniques. Du fait de la diversité des contextes géologiques et hydrodynamiques, il est cependant nécessaire de développer des sites expérimentaux couvrant une large gamme de milieux, comme nous l’avons fait ces dernières années (projet ALIANCE et ORE H+). Alors que le site de Campos (Majorque) est un analogue structural de nombreux réservoirs pétroliers dans les systèmes carbonatés récifaux, le site de Ploemeur (Bretagne) offre un exemple de réservoir en milieu cristallin.

L’expérimentation sur ces sites naturels à échelle métrique à hectométrique nécessite une caractérisation préalable détaillée de ces sites aux échelles pertinentes. Sur le terrain, les mesures et images géophysiques en forage permettent une description des structures traversées et des hétérogénéités (fractures, vacuoles, ...) qui contrôlent les flux de masse à des échelles allant, localement, du mm au m.

Dans ce but, le laboratoire s’est équipé ces dernières années d’un ensemble d’instruments géophysiques de petit diamètre permettant la description en forage :

- des structures géologiques traversées (images de paroi à échelle du mm),

- leur caractérisation pétrophysique (acoustique, électrique, radioactivité naturelle),

- celle des écoulements par des méthodes hydrogéophysiques (débitmètres, caractérisation hydrogéochimiques du fluide en forage, mesure du potentiel spontané avec la sonde "MuSET").

Nous comptons maintenir cet effort de caractérisation des hétérogénéités, du transport hydrodispersif et des réactions eau-roche avec la finalisation de nouveaux outils (mesures de perméabilité in-situ et échantillonnage de fluide de formation avec la sonde "SHyFT" ; imagerie acoustique des écoulements en paroi de forage avec la sonde "DopTV"), et de nouveaux codes de traitement ou de modélisation de ces mesures. On se focalisera, en particulier, sur l’analyse de la fracturation et des dissolutions en milieux carbonatés par des méthodes électriques et acoustiques. Pour cela, le laboratoire dispose notamment d’un outil de géophysique en forage de type sonique multi-pôles et multi-fréquences, permettant l’enregistrement d’un sismogramme complet pour les ondes de volume (P et S) et pour les ondes de tube (i.e. onde de Stoneley).

Nous proposons tout d’abord une mesure des propriétés acoustiques (vitesse, coefficient de réflexion, atténuation) pour obtenir une caractérisation des milieux sondés (i.e. lithologie) et une détection des hétérogénéités présentes, notamment des fractures [Tang and Cheng, 2004 ; Hornby et al., 1989]. Le programme de recherche pour les années à venir portera sur l’analyse des formes d’onde dans le domaine temporel et fréquentiel. L’objectif est d’extraire des informations sur les hétérogénéités (position, forme, taille,…) du milieu. Par ailleurs, les écoulements affectant la propagation des ondes de tube, les mesures acoustiques en forage sont utilisées pour estimer la perméabilité à échelle décimétrique [Winkler et al., 1989, Tang et Cheng, 2004]. Dans le domaine électrique, le laboratoire dispose de plusieurs sondes de mesures (ohmiques ou par induction), et des outils de modélisation numérique permettant d’accéder aux propriétés intrinsèques du milieu.

Enfin, afin de s’adresser aux plus grandes échelles de temps et caractérisant la variabilité temporelle des structures et des conditions aux limites de transport dans les réservoirs, nous avons construit et développé de nouveaux observatoires géophysiques (igeo-SER) permettant un suivi continu in-situ des écoulements dans le milieu. Une fois automatisé pour fournir, par exemple, une mesure horaire ou quotidienne de paramètres géophysiques tels que résistivité électrique ou potentiel électrocinétique, on pourra étudier directement ou indirectement la réponse du réservoir (segmentation, dissolution, précipitation, ...) aux sollicitations extérieures aussi bien naturelles (climatiques, tectoniques, ...) qu’induites dans le cadre d’expériences (injection ponctuelle d’un traceur, d’écoulement longue durée).

Expérimentation hydrodynamique, géophysique et pétrophysique

De nouveaux outils et protocoles expérimentaux nécessaires à la mesure des flux (ex : flowmétrie, traçage, [Le Borgne et al., 2004]) sur site (e.g. sonde de traçage radial "CoFIS", logger fluorimetrique "TeLOG") et en laboratoire (ex : fluorimètre haute résolution à fibre optique, banc de mesure électrocinétique) ont également été développés. Ces développements instrumentaux seront poursuivis avec, par exemple, la finalisation de la sonde H2E permettant la stimulation cyclique en forage du milieu, que ce soit en pression ou en débit. L’intégration de capteurs multi-traceurs (pH, iodures, nitrates) dans la sonde CoFIS sera réalisée afin de prendre en compte les processus de sorption dans les traçages. Un effort est aussi nécessaire pour améliorer les outils de traitement et d’analyse des expériences de flowmetrie et de traçage. Les expériences in situ seront réalisées sur les sites ALIANCE et de l’ORE H+. Les expériences de traçage sur échantillon décimétriques réalisées par la méthode de tomographie à émission de positron [Tenchine & Gouze, 2004], seront poursuivies en collaboration avec l’université de Birmingham, ainsi que les expériences de traçage sur carotte.


D’autres expériences seront également effectuées sur un banc expérimental de mesure de la dispersion de traceurs dans des fractures transparentes de grande dimension (45x45 cm2). Ce montage permet de contrôler l’ouverture de la fracture avec une grande précision et sur une dizaine de millimètres. Les résultats devraient permettre de mieux cerner expérimentalement les relations entre la dispersion et variabilité spatiale de l’ouverture. Nous comptons par ailleurs poursuivre les travaux centrés sur l’étude de la saturation résiduelle (piégée) des hydrocarbures en fonction des forces de gravité et des hétérogénéités du milieu poreux. Ceux-ci ont débuté d’un point de vue expérimental et théorique dans le cadre de la thèse de Zhou Bo (2002-2005) et s’appliquent tout aussi bien à l’étude du drainage des réservoirs d’hydrocarbures qu’à la migrations des contaminants non-miscibles dans les formations superficielles.

Par ailleurs, la mise en place ces dernières années à la fois de sites expérimentaux de terrain caractérisés de façon détaillée, ainsi que de nouveaux instruments d’expérimentation géophysique et hydrodynamique en forage permet, pour la première fois, d’envisager toute une gamme de nouvelles expériences de terrain. Celles-ci permettront d’explorer le comportement hydrodispersif et la réponse aux sollicitations expérimentales des réservoirs géologiques étudiés. Au-delà des approches purement hydrodynamiques décrites ci-dessus, on se focalisera sur la réalisation d’expériences couplées centrées sur l’analyse de la réponse géophysique à des sollicitations hydrodynamiques controlées utilisant "CoFIS" ou "H2E".

On étudiera en particulier la variabilité des ondes acoustiques lentes ou du potentiel spontané en forage au droit de fractures sollicitées de façon variable dans un puits voisin. En parallèle, on tentera de simuler ces conditions expérimentales en laboratoire afin de permettre une modélisation aussi précise que possible des expériences de terrain et d’aboutir à la mise en place d’outil plus précis de caractérisation des écoulements dans les réservoirs et notamment dans les milieux fracturés. En particulier, nous réaliserons des expériences analogiques en cuve acoustique [Gautier et al., 2005] avec les outils de géophysique en forage, notamment l’outil sonique et la sonde de potentiel spontané "MuSET".

Modélisation des processus de transfert

Les échelles caractéristiques du transport doivent être définies à la fois dans le domaine spatial et temporel. Dans les milieux géologiques, on peut rencontrer des grandes échelles caractéristiques spatiales, provenant de structures à grande échelle comme les zones de faille ou les couches sédimentaires. L’existense même d’une échelle caractéristique peut être mise en doute, en particulier pour les milieux fracturés (Bonnet et al., 2001). Il peut exister également de grandes échelles caractéristiques temporelles, provenant par exemple du piégeage chimique ou physique de solutésLe grand nombre d’échelles caractéristiques a suscité l’utilisation de modèles macroscopiques prenant en compte de façon intégrée des effets d’échelles dans le domaine temporel et spatial. Ces modèles demeurent cependant très hypothétiques. La difficulté majeure concerne la caractérisation et la prise en compte des échanges entre les zones de différentes vitesses.

Comme le montrent différents exemples dans la littérature, les approches expérimentales actuelles de terrain ne permettent pas de répondre directement à cette question (voir § I.). Néanmoins, les simulations numériques ont permis une première quantification des échelles caractéristiques associées à ce type de transfert. Il apparaît que les champs de vitesses dans les milieux très hétérogènes peuvent être décrits par une dépendance des échelles caractéristiques en fonction des zones de vitesse où se trouvent les solutés, plutôt que par une échelle moyenne. Ceci va à l’encontre des hypothèses utilisées dans la plupart des modèles existants. On cherchera donc à explorer ce comportement en fonction des caractéristiques du milieu, aussi bien par l’expérimentation numérique qu’en laboratoire. L’analyse quantitative du champ de vitesse est un premier pas qui doit conduire à terme à des modèles prédictifs de transport de solutés. Cet aspect sera largement développé en collaboration avec l’université de Rennes.

Pour faire progresser les outils de modélisation prédictive dans ce domaine, il faut développer des modèles théoriques basés, si possible, sur un nombre réduit de paramètres mesurable in situ, et intégrant l’effet moyen de la variabilité des flux et des propriétés du milieu. La construction de ces modèles théoriques peut être envisagée en trois étapes qui résument notre démarche. La première consiste à identifier par l’expérimentation (in situ et au laboratoire) les processus actifs aux différentes échelles. La seconde consiste à intégrer ces connaissances dans les modèles théoriques. La troisième consiste à tester ces modèles sur des cas réels couvrant une large gamme de caractéristiques structurales du réservoir.