Caractérisation des relations entre réseau de fractures et réseau d'écoulement dans les réservoirs fracturés et karstiques : Modélisation numérique et étude in situ (Aquifère du Lez, France)

Characterisation of relationships between fracture network and flow-path network in fractured and karstic Reservoirs : Numerical modelling and field investigation (Lez aquifer, Southern France)

• Auteur / Autrice : Mahmoud Reza Jazayeri Noushabadi
• Direction : Hervé Jourde, Gérard Massonnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide. Géodynamique des enveloppes supérieures, paléobiosphère
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : HydroSciences (Montpellier)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie karstique

Génie hydraulique

Aquifères

Mots clés libres

Réservoirs karstiques

Réservoirs fracturés

Essais de puits

Coefficient d'échange d'écoulement d'inter-porosité

Modèle de distribution non-uniforme

Effets d'échelle sur la perméabilité

Réseau de facture

Réseau d'écoulement

Résumé

Bien que le comportement et la modélisation des écoulements dans les réservoirs fracturés constituent une problématique de recherche abordée depuis le milieu des années soixante, la caractérisation des réservoirs fracturés soulève encore de nombreuses incertitudes. Dans le contexte du développement et de l'exploitation des réservoirs fracturés, le problème principal le plus souvent cité comprend la définition des propriétés du réseau de fractures qui détermine le réseau d'écoulement ainsi que les modalités de l'écoulements inter-porosité. L'essai de puits est l'un des outils le plus utilisé pour caractériser les propriétés géométriques et hydrodynamiques des réservoirs fracturés sur la base de solution analytique simple. La considération d'une solution analytique de type double porosité pour l'interprétation de l'essai de puits permet ainsi de renseigner le coefficient d'échange inter-porosité, ainsi que le rapport entre les propriétés hydrodynamiques des fractures et celles du réservoir. Ces informations, qui concernent un réservoir fracturé donné, sont généralement issues de l'interprétation, à l'échelle régionale, de la réponse hydrodynamique obtenue sur quelques puits seulement. Néanmoins, tous les puits d'observation n'ont pas la même réponse hydrodynamique à un essai de puits ; ceci pose la question de l'impact de la localisation du puits de pompage et du piézomètre sur la détermination des propriétés hydrodynamiques du réservoir lors de l'interprétation de l'essai de puits. Pour évaluer les différents effets liés à l'emplacement du puits de pompage sur la réponses hydrodynamique, une série d'essais de puits a été simulée dans des réseaux de fractures synthétiques et leur réponse hydrodynamique a été interprétée à l'aide d'un modèle de type double porosité L'impact de la localisation du puits de pompage et des propriété géométriques du réservoir fracturé, telles que l'espacement et la longueur des fractures, sur le comportement des écoulements et la valeur du coefficient d'échange inter-porosité est examiné dans le premier chapitre. Dans le deuxième chapitre, la relation entre réseau de fractures et réseau d'écoulement est examinée dans le cas d'un aquifère fracturé et karstique (aquifère du Lez), en considérant le comportement hydrodynamique à l'échelle locale et le comportement hydrodynamique à l'échelle régionale. De cette façon, sont appréhendés les paramètres principaux qui conditionnent le réseau d'écoulement préférentiel, et ses liens avec le réseau de fractures. Différentes propriétés géométriques, telles que la densité, l'orientation, et la longueur des fractures sont déterminées à différentes échelles : échelle du puits, échelle locale (site expérimental), et échelle régionale (aquifère). A cette fin, différentes techniques d'acquisition (imagerie de puits, mesures à l'affleurement, photographie aérienne) sont utilisées pour caractériser la fracturation. Des mesures géophysique réalisées à l'échelle locale (site expérimental) permettent d'obtenir des cartes de résistivité 2D et 3D qui illustrent la grande hétérogénéité du site, caractéristique des réservoirs fracturés. L'investigation du réseau d'écoulement est réalisée au moyen de diagraphies de puits, de tests d'interférences et de tests d'impulsions, à l'échelle locale et à l'échelle régionale. Ces différents outils nous renseignent sur la connectivité des différents puits avec le réseau d'écoulement ainsi que sur les propriété hydrodynamiques de différentes zones du réservoir fracturé. Dans le troisième chapitre, un modèle hydrogéologique conceptuel est proposé à l'échelle locale et à l'échelle régionale. Ces modèles servent de fondement à deux modèles numériques 2D basé pour voir si la geomodélisation numérique et les résultats de simulation d'écoulements de fluides confirment notre hypothèse intégrée dans les modèles conceptuels

Although the specific flow behaviour of fractured reservoirs has been identified and modelled since relatively long time, there are still lots of problem concerning the fractured reservoir characterisation. The main problem, often cited in the context of the development and exploitation of fractured reservoirs, is the difficulty in defining the fracture network properties that impact the flow path-network and the inter-porosity flow transfer between the fracture continuum and matrix continuum. Well test is one of the tools that are used for the characterisation of geometrical and hydrodynamic properties of fractured reservoir, such as inter-porosity flow exchange coefficient, fracture storativity to whole reservoir storativity ratio, and reservoir permeability. But all these information applied to characterise a fractured reservoir at regional scale are inferred from only a few boreholes. One may thus wonder if all observation boreholes have the same hydrodynamic response to a well test. In order to answer this question a series of numerical well tests are conducted in synthetic fracture networks to evaluate the effect of the pumping well location on the dual porosity pressure responses. The impact of geometrical parameters, such as fracture spacing and mean length, on fluid flow behaviour and inter-porosity exchange coefficient are investigated for different pumping well location in the first chapter. Well test simulations in the synthetic fractured reservoirs, with a non uniform distribution pattern, highlight the dependency of the measured inter-porosity flow exchange coefficient to the pumping test location. The mean fracture length (which controls connectivity) is assessed to be the main geometrical parameter which influences the reservoir hydrodynamic response during well test. In the second chapter, the relationship between fracture network and flow-path network are investigated in a real fractured and karstic carbonate aquifer (Lez aquifer, southern France). A multi-disciplinary case study, which aims to assess the main parameters which affect the preferential flow-path network, is thus performed. It comprises geological, geophysical and hydrodynamic data acquisition and interpretations. The collection of geometrical parameters such as fracture density, orientation, length is done at different scales (borehole, field site, aquifer). Applying different data acquisition techniques such as borehole image, outcrop observation and aerial photography are claimed to characterise the fracture network. In this experimental part, it is shown that geological and geophysical data such as fracture data acquisition, borehole imagery (OTV), reservoir electrical resistivity imaging are the minimum requested data for characterizing the fracture network of a given reservoir. Investigation of flow-path network is done through conducting a series of well logging, interference tests and pulse tests at two scales. This step gives some clarifications about the quality of connectivity and conductivity of fractures at different zones. Then, we assess the relationship between fracture network and flow-path network by integrating all geological, geophysical and hydrodynamic data. It is shown that conducting well test series at two different scales within the same fractured and karstic reservoir allow verifying the scale dependency of permeability within a same system; it also shows that other important factors than the scale of observation affect these permeability variations. Combination of all data (geological, geophysical and hydrodynamic) illustrates that the borehole connectivity to the flow-path network and water table level during well test operation are the parameters which mainly control the permeability value estimation, whatever the scale of observation. Finally, in the third chapter, we define the hydrogeological conceptual models at local and regional scales. Then a simple 2D numerical model based on the hydrogeological conceptual model at each scale is proposed and the numerical geomodelling and fluid flow simulation are compared to the observed hydrodynamic behaviour in the site. Results of fluid flow simulation in the numerical models at local and regional scales confirm our hypothesis about effect of borehole location and its connectivity with the flow-path network on the recorded hydrodynamic responses at borehole