Approche des mécanismes de l'injection sableuse per descensum
Résumé
The outcrops of Bevons, Nyons and Rosans in south-eastern France, like the Numidian ones (Sicily, Tunisia,Morocco...) or Tourelle ones (Canada) are excellent spots for the observation of many sandy injectites supplied by turbiditic channels. Two types of injectites are present : sills (horizontal) and dykes (vertical), dykes resulting from sills. Depending on the authors, their creation processes can either be upward (per ascensum), postdepositonal, or, probably more often, downward (per descensum), contemporaneous of the sand feeder set up and object of this study. The study and the modeling the mechanisms at work in this fractured network has two major benefits. First, the ability to predict the hermeticity of the argillaceous materials, with the prospect of using them as waste storage sites. Second, since sandy injectites can be found between hydrocarbon-richreservoirs, they could help predict fluid circulations and cross-flows during the exploitation of those reservoirs. A geometrical model has been established from the observation of the outcrops and has led to certain assumptions on the mechanisms being taken into account in the modeling of either the fracturings or the injections. Several approaches have been carried out in parallel : - the study of the compaction of argillaceous sediments prior to injection : for rather high sand concentrations (35 %), the weight of the injection mixture column is higher than the vertical stress in the superficial part of the sedimentary succession. This reversed density can be responsible for the fact that the injection is more likely to propagate downwards in the case of dykes or along stratigraphic discontinuities (ash layers, for example). Deeper in the sediments, the pressure in the sandy mixture column varies linearly with depth whereas the stress in the sediments does not (because of an exponential porosity curve). From a certain depth on, the fluid pressure becomes lower than the stress in the sedimentary succession : the injection cannot exceed this depth. Thus, the propagation of the dykes is limited by the weight of the host material. The use of the hydraulic fracturing as injection mechanism : rock mechanics and more precisely the hydrofracturation mechanisms have been tested to try to model these large scale observations. The force responsible for the initiation and the fractures' propagation is the pressure due to the turbiditic filling of the channel. The model takes into account the fact that the injection must raise the overlying sediments. The first results have shown that as soon as a horizontal fracture is initiated, the propagation is fast. The opening that is obtained (sill thickness) is decametric in size : it is the same order of magnitude as the outcrops' observations. - the use of a yield stress fluid in a stochastic network (with probabilities adjusted so that the realizations are consistent with those actually observed) has allowed the determination of the maximum extensions of injection. The results of the model are in agreement with the observations : - a single sill can propagate on 2400 m in a few tens of hours, - a single dyke can go down to 400 m under the paleo-sea-floor in a few seconds, - a network of connected sills and dykes (connected by a sill to the main channel) can have an extension of 1200 m horizontally and 400 m vertically, and will form over a few hours. The formation of the sills is longer than that of the dykes, as the formation of a single sill takes several hours whereas that of a single dyke only takes a few seconds. When sills and dykes are connected, the network propagation time is approximately 2 hours. Dykes are always formed in a few seconds and have an effect on the propagation of the sills, which are propagated half as far as if they were alone.
Les affleurements de Bevons, Nyons et Rosans dans le Sud-Est de la France, comme ceux du Numidien (Sicile, Tunisie, Maroc...) ou de la Tourelle (Canada) permettent l'observation de nombreuses injectites sableuses alimentées par des chenaux turbiditiques. Deux types d'injectites sont présents : les sills (horizontaux) et les dykes (verticaux), les dykes étant issus des sills. Leurs processus de mise en place sont, selon les auteurs, per ascensum, post-dépositionnels, et (sans doute le plus souvent) per descensum, contemporains de la mise en place du sable nourricier et objet de la présente étude. L'approche des mécanismes intervenant dans cette fracturation et la modélisation de celle-ci ont notamment pour but de préciser l'évolution de l'étanchéité des matériaux argileux pouvant constituer un site de stockage de déchets. D'un autre point de vue, des injections sableuses étant localisées entre des réservoirs contenant des hydrocarbures, une détermination de leur géométrie est nécessaire pour prédire les circulations potentielles de fluides durant la production. Un modèle géométrique a été établi à partir de ces observations et a permis de faire certaines hypothèses sur les mécanismes à prendre en compte dans les modélisations de cette fracturation et/ou injection. Plusieurs approches sont menées en parallèle : - L'étude de la compaction dans le massif, avant l'injection : pour des concentrations en sable assez élevées (> 35 %), le poids de la colonne de mélange d'injection est supérieure à la contrainte verticale dans la partie superficielle du massif. Cette inversion de densité peut être responsable du fait que l'injection se propage plutôt vers le bas dans le cas des dykes ou le long de discontinuités stratigraphiques (telles que les niveaux de cendres par exemple). Lorsque l'on descend dans les sédiments, la pression dans la colonne de mélange sableux varie linéairement avec la profondeur alors que la contrainte dans les sédiments varie non linéairement (issue d'une courbe de porosité en exponentielle). A partir d'une certaine profondeur, la pression fluide devient inférieure aux contraintes dans la succession sédimentaire : l'injection ne peut pas dépasser cette profondeur. Ainsi, la propagation des dykes est limitée par le poids de son encaissant. - L'utilisation de la fracturation hydraulique comme mécanisme de l'injection : la mécanique des roches et plus précisément les mécanismes d'hydrofracturation ont été testés pour tenter de modéliser ces observations à grande échelle. La force responsable de l'initiation et de la propagation des fractures est la pression due à la mise en place du chenal turbiditique. Le modèle tient compte du fait que l'injection doit soulever les terrains sus-jacents. Les premiers résultats ont permis de montrer que dès qu'une fracture horizontale est initiée, la propagation est rapide. L'ouverture obtenue (épaisseur d'un sill) est décamétrique, soit du même ordre de grandeur que les observations de terrain. - L'utilisation d'un fluide à seuil dans un réseau établi, avec des probabilités cohérentes avec la réalité des phénomènes entrant en jeu, a permis de déterminer les extensions maximales d'injection en accord avec les observations de terrain : - Un sill seul peut se propager sur 2400 m en quelques dizaines d'heures, - Un dyke seul peut descendre jusqu'à 400 m sous le paléofond de mer en quelques secondes, - Un réseau de sills et de dykes connectés (ce réseau étant connecté au chenal par un sill) peut avoir une extension horizontale de 1200 m et verticalement de 400 m, et se mettre en place en quelques heures. La formation des sills est plus longue que celle des dykes, la formation d'un sill seul dure plusieurs heures alors que celle d'un dyke dure quelques secondes. Lorsque les sills et les dykes sont connectés, le temps de propagation du réseau est d'environ 2 heures. Les dykes se forment toujours en quelques secondes et ont un effet sur la propagation des sills qui se propagent deux fois moins loin que s'ils étaient seuls.
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