Inversion des données de flux et de température en milieu hétérogène

Imaging of fractured rock properties from flow and heat transport : field experiments and inverse modelling

• Auteur / Autrice : Maria Klepikova
• Direction : Olivier Bour, Tanguy Le Borgne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 16/05/2013
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traceurs de l'eau souterraine

Flux géothermique

Roches -- Fracturation

Eaux souterraines

Hydrogéologie

Mots clés libres

Hydrogéologie

Eaux souterraines -- Écoulement

Roches -- Fracturation

Flux géothermique

Traceurs de l'eau souterraine

Hydrogeology

Groundwater flow

Rocks -Fracture

Terrestrial heat flow

Groundwater tracers

Résumé

La caractérisation de l'agencement spatial des propriétés hydrauliques est essentielle pour prédire les écoulements et le transport des solutés dans les milieux hétérogènes. Les méthodes de tomographie hydraulique, principalement développées pour estimer les propriétés des milieux poreux, n'ont qu'une faible résolution spatiale qui ne reflète pas la vraie hétérogénéité des distributions de fractures des milieux fracturés. Le principal objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode d'inversion spécifique pour imager les propriétés hydrauliques et de transport des milieux fracturés à l'échelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des expériences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modélisation inverse sont proposées, notamment en utilisant la température comme marqueur des écoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'écoulement basée sur des tests séquentiels de débimétrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caractériser la connectivité des fractures ainsi que leur transmissivité. À partir de simulations numériques reproduisant des cas d'études synthétiques, nous montrons que l'approche par tomographie réduit significativement l'incertitude sur les paramètres estimés, et fournit une caractérisation détaillée du réseau de fracture sans requérir à l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de température peuvent être utilisées pour quantifier les écoulements dans les milieux fracturés. Le grand intérêt d'utiliser la température est d'obtenir facilement et de façon continue en puits des profils de température. En utilisant un modèle numérique d'écoulement et de transfert de chaleur à l'échelle du puits, une méthode d'inversion pour estimer les vitesses d'écoulement dans le puits à partir des données de température est proposée. Nous couplons ensuite les deux approches présentées précédemment dans une nouvelle approche expérimentale consistant en des enregistrements séquentiels de température dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en température sur le site de Stang er Brune montre des résultats encourageants pour l'identification du réseau global de connectivité et des zones d'écoulement principales. Enfin, nous discutons de l'intérêt d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport à l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que réaliser des tests de traçage thermiques en milieu fracturé fournit des contraintes supplémentaires importantes sur les propriétés de transport du milieu.

The accurate characterization of distribution of hydraulic properties and connectivity distribution is essential to predict flow and transport in fractured media. Classical approaches were developed for homogeneous aquifers and result in smooth tomograms that often do not match true heterogeneity distribution of fractured media. The main goal of this thesis is to develop new inverse approaches specifically for imaging hydraulic and transport properties in fractured media at the field-scale. To attain this objective new in situ measurement methods as well as new inverse modelling frameworks are proposed.We first propose flow tomography (i.e., sequential cross-borehole flowmeter tests) as a new approach for characterizing fracture connectivity and transmissivities. Based on a discrete fracture network approach, we present a general method to invert flow tomography data. From synthetic case studies, we show that the tomographic approach reduces significantly the uncertainty on the parameter estimation. Flow tomography approach provides detailed characterization on fracture networks without the necessity of using packers. We then study the contribution of temperature measurements for quantifying flow in fractured media. The advantage of using temperature data is that temperature profiles can be obtained more easily and continuously in space, compared to flowmeter profiles. Using a numerical model of flow and heat transfer at the borehole scale, a method to invert temperature measurements to derive borehole flow velocities was proposed. We then couple the two previously proposed approaches in a new experimental approach which we call temperature tomography. This experiment consists of sequential borehole temperature logging under cross-borehole flow conditions. The full inverse framework is then presented to interpret temperature tomography experiments. Application of the temperature tomography approach to Stang er Brune field site showed encouraging results for the identification of general connectivity patterns and transmissivities of the main flowpaths. Finally, we explore the interest of using push-pull thermal tracer tests. Through field experiments and numerical modelling, we demonstrate that conducting push-pull heat tracer tests provide important constraints on the effective transport behavior.