Modélisation hydraulique et thermique dans les systèmes géologiques faillés, application au site U1517 de la marge de Hikurangi, Nouvelle-Zélande, et au système géothermique amélioré de Soultz-sous-Forêts

Hydraulic and thermal modelling in faulted geological systems, application for the site U1517 of Hikurangi Margin, New Zealand, and Enhanced Geothermal System of Soultz-sous-Forêts

• Auteur / Autrice : Gaukhar Akhmetova
• Direction : Irina Panfilov, Sylvain Bourlange, Antonio Pereira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Henri Bertin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olena Ivanik, Andrey Myagkiy, Marianne Conin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Bertin, Olena Ivanik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Perméabilité

Transfert de chaleur

Zones de failles

Modélisation CFD

Mots clés libres

Faille

Modélisation

Transfert thermique

Perméabilité

Fault

Modelisation

Heat transfer

Permeability

Résumé

Pour un certain nombre d'applications géoscientifiques, la compréhension des mécanismes de transport dans les systèmes géologiques naturellement fracturés et faillés suscite une grande attention. Les systèmes de zones de failles jouent un rôle important dans l'écoulement des fluides de subsurface dans de nombreux processus géologiques et hydrogéologiques. Les propriétés hydrauliques des failles peuvent contrôler l'exploitation des réservoirs géothermiques, la migration des hydrocarbures pétroliers et le transport des déchets radioactifs géologiquement séquestrés. Les processus dynamiques de différents degrés de complexité sont de plus en plus appliqués dans les études scientifiques des processus naturels se produisant dans ces systèmes complexes. Dans ce travail de recherche, nous avons construit des modèles hydrodynamiques dans deux zones géologiques différentes. D'abord dans le bassin sédimentaire de la Nouvelle-Zélande avec la présence d'hydrates de gaz. Nous étudions le soulèvement de la base de la zone de stabilité des hydrates de gaz, qui dépend des champs de pression et de température dans la zone étudiée. La distribution de la température est régie par la conduction thermique dans les sédiments et la convection thermique associée à la circulation des fluides dans les roches poreuses. Il s'est principalement concentré sur la circulation des fluides dans les failles, qui devraient induire des modifications importantes du champ de température. Le deuxième site est celui de Soultz-sous-Forêts, qui se trouve dans le Fossé du Rhin supérieur et qui est l'un des rares sites de "système géothermique amélioré" (EGS) en exploitation dans le monde. Le site de Soultz-sous-Forêts est caractérisé par une faible porosité de la matrice, la circulation naturelle ou induite des fluides se fait à travers les réseaux de fractures. La connexion au sein des réseaux de fractures est faible, associée à une faible perméabilité. L'objectif de cette étude est de comprendre l'influence des failles sur les mécanismes de circulation des fluides et de production d'eau en utilisant un simulateur de dynamique des fluides. La validation du modèle a été réalisée en comparant la température de fond de puits disponible avec les données simulées.

For a number of geoscience applications, understanding transport mechanisms in naturally fractured and faulted geological systems is getting great attention. Fault zone systems play a significant control on subsurface fluid flow in many geological and hydrogeological processes. Fault hydraulic properties may control the exploitation of geothermal reservoirs, the migration of petroleum hydrocarbons, and the transport of geologically sequestered radioactive waste materials. Dynamic processes of various degrees of complexity are increasingly applied in scientific studies of natural processes occurring those complex systems.In this research work, we constructed hydrodynamic models in two different geological areas. Firstly in the sedimentary basin in New Zealand with the presence of gas hydrates. We study the uplifting of the base of gas hydrates stability zone, which depends on the pressure and temperature fields in the studied area. The temperature distribution is governed by thermal conduction in the sediments and thermal convection associated with fluid flow in the porous rocks. It mainly focused on fluid circulation in faults, which were expected induce important modifications of the temperature field.Secondly, is Soultz-sous-Forêts, which locates in the Upper Rhine Graben and it is one of the world's few deep “enhanced geothermal system” (EGS) sites in operation. Soultz-sous-Forêts site is characterized by low matrix porosity, natural or induced fluid circulation occurs across the fracture networks. The connection within fracture networks is poor, associated with low permeability. The objective of this study is to understand the influence of faults on fluid circulation and water production mechanisms using a fluid dynamic simulator. Model validation was carried out by comparing the available downhole temperature with the simulated data.