Caractérisation hydrogéophysique des milieux fracturés : développement instrumental et modélisation des vitesses d’écoulement en forage - INSU - Institut national des sciences de l'Univers Access content directly
Theses Year : 2010

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Caractérisation hydrogéophysique des milieux fracturés : développement instrumental et modélisation des vitesses d’écoulement en forage

Abstract

The fractured media are characterized by a strong heterogeneity of the velocity field related to the localization of flow in the local permeable zones of the fracture network. In this context, predicting the flow or transport needs to provide enough constraints on the lithology and the flow velocity. We bring some information for this question through three complementary approaches: (i) a study of the relationship between fracturing and deformation zones and flow observed in the Ploemeur’s experimental site, (ii) implementation of a numerical flowmetry model for imaging hydraugeologic properties between boreholes, and (iii) the development of a new borehole tool for horizontal velocities measurement, in partnership with the Technical Division of INSU (Brest). A recurring issue raised in this manuscript is in what extent the data at the local scale can provide sufficient information on the overall behavior. The log analysis and core drilling Ploemeur’s site clearly shows that the main deformation zones are characterized by intense deformation and by fault breccia or gouge zones associated or not associated with very fractured pegmatites. Locally, the link between deformation zones or fracturing and flow is difficult to corelate because of the important variability of local properties. At the site scale, the intense fractured zone with fractured pegmatite is corelated to important connected zone. At the regional scale, it appears that the subvertical fracturing N110 ° and N20 ° associated with high strain zone, forms the contact between the Pouldu mica and Ploemeur granite, controls part of the flows. The numerical model allowed us to replicate these experiments of flowmetry interference tests to establish the standard answers that must be observed according to the wellbore storage and hydraulic properties of fractures. The characterization of the connectivity of the different structures connected to the wells is easily identified through the analysis of transient flows. The main difficultie related to the inversion is due to the presence of indirect pathsway, and deficiency of real pumping rate in each connected structures. We also showed that the fractures storage coefficient significantly controlled the response of vertical flow. Finally, we show how disconnected structures from the pumping well can influence the hydrogeological response. This work is illustrated by an field application. For the characterization of in situ velocities in fractured media, we have participated in the development of a new sensor (PIVEF) able to measure the velocity by particle tracking. This probe was calibrated and validated in the laboratory. With its large viewing window, we can characterize the velocity accurately. We can observe the velocity field in situ on a wide range (1.10-5 to 1.10-2 m/s). This velocity accuraty is allowed for both homogeneous and in fractured media, provided that the fracture dips is not too important. The velocity measurement can be done constinuously over the entire height of the measurement area. We observed in fractured media the precense of recirculation loops. This recirculation loops creating disturbances in the water column. Despite these inherent difficulties in this kind of measurement, a field application showed the full potential of the tool
Les milieux fracturés se caractérisent par une forte hétérogénéité du champ de vitesse liée à la localisation des flux dans les zones les plus perméables du réseau de fractures. Dans un tel contexte, prédire les écoulements ou test le transport nécessite d’apporter des contraintes assez fines sur le milieu et sur les flux. Nous avons abordé cette question à travers trois approches complémentaires : (i) une étude des liens entre fracturation, zones de déformation, et écoulements observés sur le site expérimental de Ploemeur ; (ii) la réalisation d’un modèle numérique de débitmétrie destiné à imager les propriétés hydrauliques entre forages ; et (iii) le développement d’une nouvelle sonde permettant la mesure des vitesses d’écoulement horizontales en partenariat avec la division technique de l’INSU (Brest). L’analyse des diagraphies et des carottes de forage du site de Ploemeur a clairement mis en évidence que les principales zones de déformation se caractérisaient par une déformation intense, par des brèches de faille ou bien par des zones broyées, associées ou non à des pegmatites très fracturées. À l’échelle locale, la corrélation entre zones de déformation ou de fracturation et zones d’écoulements fut difficile à faire tant la variabilité locale des propriétés était importante. Cependant, à l’échelle du site, les zones broyées profondes sous les pegmatites fracturées semblaient très transmissives. A l’échelle régionale, les fracturations subverticales N110° et N20° couplées à la zone de déformation intense que constitue le contact entre les micaschistes du Pouldu et le granite de Ploemeur, contrôlaient une partie des écoulements$! Le modèle numérique nous a permis de reproduire les expériences de tests d’interférences de débitmétrie pour établir les réponses types que l’on doit observer en fonction de l’emmagasinement du forage et des propriétés hydrauliques des fractures. La caractérisation de la connectivité des différentes structures connectées aux puits est facilement identifiable à travers l’analyse des flux transitoires. Une des difficultés liées à l’inversion provient de la présence de cheminements indirects et de la méconnaissance du débit effectif pompé dans les structures connectées. Nous avons aussi montré que le coefficient d’emmagasinement des fractures contrôlait significativement la réponse des flux verticaux. Enfin, nous avons mis en évidence la façon dont les structures déconnectées du puits de pompage pouvaient influencer la réponse hydrologique. Ces travaux ont été illustrés par une application de terrain. Dans le cadre de la caractérisation des vitesses in situ en milieu fracturé, nous avons participé au développement d’une nouvelle sonde (PIVEF) permettant la mesure de vitesse par suivi de particules. Cette sonde a été calibrée et validée au sein du laboratoire. Grâce à sa large fenêtre d’observation, nous pouvons caractériser de façon pertinente les vitesses d’écoulement du fluide. Nous pouvons observer des vitesses in situ sur une gamme large (1.10-5 à 1.10-2 m/s) aussi bien en milieu homogène que dans des milieux fracturés, à condition que les pendages ne soient pas trop importants. La mesure de vitesse peut se faire de manière continue sur toute la hauteur de la zone de mesure. Nous avons observé dans les milieux hétérogènes la présence de boucles de recirculation créant des perturbations dans la colonne d’eau. Malgré les difficultés inhérentes à ce genre de mesure, une application sur le terrain a permis de montrer toutes les potentialités de l’outil.
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Cite

Sébastien Ruelleu. Caractérisation hydrogéophysique des milieux fracturés : développement instrumental et modélisation des vitesses d’écoulement en forage. Sciences de la Terre. Universite Rennes 1, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01137326⟩
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