Modélisation de l'écoulement de deux fluides non miscibles dans des milieux fracturés; application à l'injection d'eau à grande profondeur et à la recherche d'eau douce en milieu côtier.
Résumé
A European research program on Hot Dry Rock energy began in 1987 in Soultz-sous-forêts, France. Three wells have been drilled and reach the granite basement at a depth of 5km. A geothermal loop, constituted of a reinjection well and two production wells is created, and heat exploitation can lead to an important power production, thanks to a heat exchanger. Our works are focused on interpretation more than prediction, with a numerical tool integrating a strong hydromechanical coupling. Our purpose is to explain recorded datas by simulating the reservoir development and the fluid circulations induced by injections .The reservoir development is released by hydraulique stimulation, which consists in performing high rate injections, leading to the shear of the fractures. In order to interpret the observed phenomenas, the knowledge of the pressure distribution in the reservoir is necessary. Unfortunately, the density contrast between injected cold fresh water and the formation fluid (a 200°C heavy brine), leads to complex observations that could be treated by considering the two fluids as immiscible fluids. The numerical code FRACAS, programmed at the Centre of Geological Informatics of the Paris School of Mines, taking advantage of a Discrete Fracture Network formulation has already been used to predict the hydromechanical behaviour of the system. It was consequently decided to enhance this code in order to allow the simulation of multiphase flows of fluids of different physical and thermodynamical properties and to use it to underline eventual density driven flows. After a review of the different modelling techniques of fluid flows in fractured media, we will expose formulation and numerical resolution of multiphase flows in discrete fracture networks. Accuracy of the algoriths will be evaluated in two test cases (the Buckeley-Leverett test case and the problem of the coastal aquifer). The set-up of the geometrical model of the fracture network of Soultz-sous-forêts, based on field observations, will be precisely described in order to quantify the influence of the injected fluid density on hydraulic stimulation, and manage to predict the hydraulic behaviour of the global system during circulation tests.
Le site de Soultz-sous-forêts (Alsace) est depuis 1987 le siège d'un programme européen de recherche pour la production d'électricité à grande échelle grâce à la géothermie, the European Hot Dry Rock Geothermal Research Programme. Aujourd'hui, trois puits allant à plus de 5km de profondeur dans le socle granitique ont été forés sur ce site. Une bouche géothermale, constituée du forage de réinjection au centre et de deux forages de production est établie, et l'exploitation de la chaleur via un échangeur thermique en surface permet d'envisager une production énergétique importante. Nos travaux s'orientent en premier lieu vers une modélisation interprétative plus que prédictive, à l'aide d'un outil numérique capable d'intégrer un couplage hydromécanique important. Il s'agit de pouvoir expliquer les mesures effectuées in situ grâce à la simulation du développement du réservoir géothermique et de la circulation induite par les injections. Le développement du réservoir est effectué par stimulation hydraulique, technique consistant à injecter de l'eau à très haute pression afin de dépasser le seuil de rupture en cisaillement des fractures. Ainsi la distribution des pressions en profondeur est-elle une donnée indispensable à la compréhension des phénomènes observés. Or, le contraste de densité entre l'eau douce et froide provenant de la surface et les saumures à 200°C présentes en profondeur se traduit par des observations de terrain très complexes qui pourraient être abordées en considérant ces deux fluides comme deux phases non miscibles. Le code de simulation d'écoulement en milieu fracturé FRACAS développé au Centre d'Informatique Géologique, prenant le parti d'une modélisation par le biais d'un réseau discret de fractures où l'écoulement dans la matrice rocheuse est négligé, a déjà utilisé pour la prévision du comportement thermo-mécanique du système hydraulique de Soultz-sous-forêts. Il a été décidé de faire évoluer ce code afin de rendre possible la gestion d'un écoulement multiphasique de fluides aux propriétés physiques et thermodynamiques différentes, dans le but de mettre en valeur d'éventuels phénomènes dus à la différence de densité de deux fluides. Seront présentés ici les fondements de la modélisation en milieu fracturé ainsi que le développement formel d'une méthode de calcul d'écoulements biphasiques applicable aux réseaux discrets de fractures. La pertinence des algorithmes décrits sera évaluée au travers de deux exemples de vérification du code (le test de Buckley-Leverett et le problème de l'aquifère côtier). La construction d'un modèle de réseau de fractures basé sur des observations de terrain effectuées à Soultz-sous-forêts sera ensuite précisement exposée, dans le but final de quantifier l'influence des phénomènes gravitaires sur le développement du réservoir proche des puits lors des campagnes de stimulation hydraulique, et de prédire le fonctionnement hydraulique du système global lors des essais de circulation à moyen terme.