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| Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes (multi-échelles) à partir de simulations numériques et de modèles théoriques (Mechanical and hydraulic beahvior of complex fracture networks from numerical simulations and theoritical models) Maillot, Julien - (2015-11-02) / Université de Rennes 1 - Comportement mécanique et hydraulique des réseaux de fractures complexes (multi-échelles) à partir de simulations numériques et de modèles théoriques
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Langue : Français, Anglais Directeur(s) de thèse: Davy, Philippe Discipline : Sciences de la Terre Ecole Doctorale : Sciences de la matière Classification : Sciences de la terre Mots-clés : Réseaux de fractures, propriétés hydrauliques, chenalisation, réseaux mécaniques, réseaux corrélés, intersection, Forsmark
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Résumé : Les propriétés hydrauliques des réseaux naturels sont très hétérogènes, c’est-à-dire que l’écoulement se concentre principalement sur quelques fractures du réseau, c’est la chenalisation. Cette hétérogénéité est observée le long des forages. Un forage étant une donnée ponctuelle, il reste une large part d’inconnu dans l’organisation géométrique et hydraulique du réseau naturel. Les modèles numériques sont alors utilisés afin de générer des modèles de réseaux de fractures à partir des indicateurs statistiques qui caractérisent le réseau naturel : densité de fractures, distribution des longueurs et des orientations. Récemment, un nouveau type de DFN a été développé pour expliquer ces lois d'échelle et se base sur des processus de génération pour retrouver la géométrie du site, à l’inverse des modèles de poisson (PM) où la géométrie du site est en entrée du modèle. Ce DFN est basé sur des règles simples de génération qui contrôlent la propagation des fractures selon leur longueur et leur position dans le volume. Ces règles permettent de simuler les interactions mécaniques (MM) entre les fractures pendant le processus de génération. Pour des statistiques de densité de fractures, de distribution de longueurs et d’orientation identique, ces deux modèles peuvent avoir les mêmes statistiques géométriques mais deux organisations spatiales des fractures complètement différentes. L'objectif de ce travail est d’explorer si ces modifications dans l'organisation des réseaux, influencent la chenalisation des écoulements. Une première partie de ce travail a consisté à développer des indicateurs statistiques qui permettent de caractériser les propriétés hydrauliques et géométriques des DFN. Nous avons comparé les modèles PM et MM 3D entre eux. Nous avons démontré que les modèles MM sont 1.5 à 2.5 fois plus chenalisés que les modèles Poissoniens. L’effet de la structure du réseau est alors clairement identifier : chenaliser les écoulements sur quelques grandes fractures. A cela, s’ajoute le fait que la structure géométrique des MM chenalise l’écoulement mais aussi limite la perméabilité du réseau : La perméabilité PM est entre 1.4 et 5 fois supérieure à celle des MM. Dans un deuxième temps, nous avons décrit les propriétés statistiques du site de Forsmark, Suède, où devrait être construit le centre de stockage des déchets nucléaires. Les propriétés hydrauliques du site sont comparées aux résultats des modèles numériques. La problématique est alors de comparer la chenalisation observée sur le site et celle observée dans les modèles numériques. Les premiers résultats démontrent que les nouveaux DFN, défini uniquement d’un point de vue théorique, sont encore trop peu chenalisés comparé aux observations sur le site. Cependant, ces modèles numériques défini sans aucun lien avec les observations sur le terrain, laisse présager qu’une fois correctement paramétré, les propriétés hydrauliques des MM seront en adéquation avec les données hydrauliques le long des forages. Abstract : Numerous nuclear waste repository projects in crystalline rocks demonstrate the complexity of natural fracture networks which geometry is conditioned by several statistical indicators such as fracture density, length distribution and orientation. The hydraulic properties of natural networks are highly heterogeneous. For instance, observations indicate that the flow is concentrated only on a few fractures, a phenomena called channelization. To predict flow on particular sites, information about hydraulic properties of natural fracture networks must be known. These information are mostly obtained from boreholes that are punctual site of study. Thereby, the definition of properties of the whole site often requires assumptions regarding its organization. Numerical approaches are used to generate 3D fracture network models based on statistical indicators that characterize the natural network: fracture density, length and orientation distributions. Currently, the most widely used numerical models, the Discrete Fracture Network (DFN), represent fractures individually, resolving network flow one by one. Recently, a new type of DFN has been developed to explain these scaling laws. It is based on the generation process to find the site geometry which differs from Poissonian models (PM) that uses indicators measured on the site as input parameters. This new DFN is based on the generation of simple rules that control the propagation of fractures along their length and their position in the volume. These rules allow the simulation of mechanical interactions (MM) between fractures during the generation process. Using the same statistical properties, both models can have the same geometrical properties but two completely different spatial organization of fractures. The objective of this work is to explore whether these variations in the network organization influence the channeling of flows. We compare predictions from the PM and MM 3D models. We demonstrate that the MM models are around 1.5 to 2.5 time more channelized than the Poissonian models. The effect of the network structure is then clearly identified: the channelization of the flow occurs only on a few large fractures. Moreover, the geometrical structure of MM channelized the flow but limits the network permeability: with PM permeability between 1.4 and 5 times greater than MM. Secondly, we describe the statistical properties of the Forsmark site in Sweden, where a nuclear waste repository is currently under discussion. The hydraulic properties of the site are compared with the numerical models results with a particular attention towards flow channelization. The first results show that new DFN defined only with a set of theoretical parameters are not sufficient to reproduce the channelization measured along the borehole. However, these numerical models suggest that once calibrated against field data, the hydraulic properties of the new DFN will be in agreement with the hydraulic data along boreholes. | |||