Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques dans des réservoirs fracturés sur des maillages non structurés : application au réservoir géothermique de Basse-Terre, Guadeloupe - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Modeling of thermo-hydraulic processes in fractured reservoirs on unstructured grids : application to the geothermal reservoir of Basse-Terre, Guadeloupe

Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques dans des réservoirs fracturés sur des maillages non structurés : application au réservoir géothermique de Basse-Terre, Guadeloupe

Margaux Raguenel
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Résumé

The quantification of natural geological resources (oil, gas, water, ore deposits, geothermal energy, etc) calls for a precise understanding and description of the geological heterogeneities and physical and chemical processes that influence their formation, their settings, their preservation and their recovery. In order to understand the physical behavior of subsurface reservoirs, 2D, 3D and 4D geological models must be developed as basis for numerical simulations. A numerical model needs the integration and homogenization of various and multi-scale data. This implies hypothesis, choices and simplifications to represent the complexity of geological objects and physical processes with a limited number of parameters. In the case of high temperature geothermal studies, one must face both the geometric and structural complexity of volcanic environments and the resolution of coupled physical processes. This calls for the use of several developments made in different research domains, with different tools. However, interoperability between all these theoretical and numerical tools remains a challenge. This work tackles this issue by preserving the geometrical complexity of geological models thanks to unstructured grids and tools which allows realistic physical simulations. New strategies are proposed to preserve the geological characteristics of the model, by honoring field data and the organization of geological structures during physical simulations. Several tools have been developed to identify and represent these structures that play a fundamental role in physical processes, such as layers, faults or model boundaries. An adapted numerical representation (allowed by the RINGMesh library which focuses on using geological concepts in the model description) preserves these elements from the geomodeler (SKUA-GocadTM) to the physical simulator (CSMP++). These tools are part of an integrated workflow, going from geological modeling to physical simulations, i.e. from geometrical characterization of the main geological structures to the quantification of reservoir resources. The developed methodologies are first benchmarked with analytical solutions and applied on synthetic cases. They have then been used in a case study to understand the evolution of thermo-hydraulic processes in the geothermal reservoir of Basse-Terre, Guadeloupe (in the frame of the GEOTREF project). A first study has been led in 2D to assess the physical realism of three possible geological scenarios designed in regard of the available field data, such as temperature profiles and MT survey. This study reproduces the observed temperature profiles in two of the studied scenarios and seems to exclude the hypothesis of strong lateral heat transfers at the island scale. A second study has then been realized in 3D, using a progressive model complexification approach to test the impact of heterogeneities on the global physical behavior of the reservoir. It appears that the thermal behavior of the designed model is mainly influenced by the topography of the area, rather than the introduction of permeable heterogeneities, such as fault corridors. However, impermeable features such as sliding surfaces have not been added and a major uncertainty about the heat source position, shape and size remains and could be further studied. These works have allowed (1) to build of a numerical environment that facilitates the tests regarding the impact of geological heterogeneities on the physical behavior of reservoirs, (2) to open the path toward a better understanding and characterization of the thermo-hydraulic behavior of a geothermal reservoir, and especially toward the quantification of the influence of the geometry and connectivity of heterogeneities on physical processes.
La quantification des ressources géologiques naturelles (huile, gaz, eau, dépôts minéraux, énergie géothermique, etc.) nécessite une compréhension et une description précises des hétérogénéités géologiques et des processus physico-chimiques qui contrôlent leur formation, leur mise en place, leur préservation et leur récupération. Pour caractériser le comportement physique des réservoirs, des modèles géologiques en 2D, 3D et 4D servent de base aux simulations numériques. Un modèle numérique requiert l’intégration et l’homogénéisation de nombreuses données obtenues à différentes échelles. Cela exige hypothèses, choix et simplifications pour représenter la complexité des objets géologiques et des processus physiques avec un nombre limité de paramètres. Dans le cas des études de réservoirs géothermiques haute température, il faut faire face à la complexité géométrique et structurale liée aux environnements volcaniques et à la résolution de processus physiques couplés. Cela demande l’utilisation de recherches effectuées dans différents domaines, avec différents outils. L’interopérabilité entre ces outils théoriques et numériques est un défi. Ces travaux de thèse proposent de pallier ce problème en réalisant des modèles géologiques dont la complexité est préservée à l’aide de maillages non structurés et d’outils permettant de réaliser des simulations de processus physiques couplés réalistes. Des stratégies de conservation de l'intégrité d'un modèle structural sont proposées, respectant les données et l’organisation des structures géologiques. Différents outils ont été élaborés pour identifier et préserver ces structures jouant un rôle particulier dans les processus physiques, comme les couches, failles ou frontières d'un modèle. Une représentation numérique adaptée à la géologie (permise par la librairie RINGMesh utilisant les concepts géologiques dans la description du modèle numérique) préserve ces différents éléments depuis le géomodeleur (SKUA-GocadTM) jusqu’aux simulations physiques (CSMP++). Les outils créés sont inclus dans une chaîne intégrative, allant de la modélisation géologique aux simulations physiques, i.e. de la caractérisation de la géométrie des structures vers la quantification des ressources. Les méthodologies développées sont d’abord validées grâce à des solutions analytiques et appliquées sur des cas synthétiques. Elles sont ensuite utilisées pour comprendre l'évolution des processus thermohydrauliques dans le réservoir géothermique de Basse-Terre, Guadeloupe (cadre du programme GEOTREF). Une première étude menée en 2D compare le réalisme physique de différents scénarios géologiques possibles selon les données de terrain (profils de température et campagne magnétotellurique). Cette étude reproduit les profils de température observés pour deux scénarios étudiés, et semble exclure l’hypothèse de transferts latéraux de chaleur à l’échelle de l’île. Une seconde étude réalisée en 3D, avec une complexification progressive du modèle géologique, quantifie l'impact des structures sur le comportement physique du réservoir. Il apparaît que le comportement thermique du modèle réalisé est principalement influencé par la topographie de la zone, malgré l’ajout d’hétérogénéités plus perméables telles des corridors de failles. Cependant, des hétérogénéités imperméables comme les surfaces de glissements n’ont pas été incluses, et des incertitudes majeures concernant la position, la taille et la forme de la source de chaleur pourraient être étudiées. Ces travaux de thèse ont ainsi permis (1) de mettre en place un environnement numérique propice pour tester l’impact des hétérogénéités géologiques sur le comportement physique des réservoirs, (2) d’ouvrir la voie vers une meilleure compréhension et caractérisation du comportement hydraulique et thermique d’un réservoir géothermique, et particulièrement vers la quantification de l’influence de la géométrie et de la connectivité des hétérogénéités sur les processus physiques.
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Citer

Margaux Raguenel. Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques dans des réservoirs fracturés sur des maillages non structurés : application au réservoir géothermique de Basse-Terre, Guadeloupe. Géologie appliquée. Université de Lorraine, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LORR0338⟩. ⟨tel-02939370⟩
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