DEM hydromechanical modeling of fault reactivation

Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées.Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures

Modélisation hydromécanique de la réactivation de faille par la méthode des éléments discrets

Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures.Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées

Fractured Rock Mechanics and Hydro-Mechanics: Characterization and Simulations/ Hydro-Mechanical Behavior of Fractured Rock Samples

132 σ.Στην παρούσα εργασία, έγινε προσπάθεια προσομοίωσης της μηχαμικής και υδραυλικής συμπεριφοράς ρωγματωμένων δειγμάτων πετρώματος με τη μέθοδο διακριτών στοιχείων και συγκεκριμένα με τον αριθμητικό κώδικα 3DEC. Στόχο της εργασίας αποτέλεσε η εξαγωγή των ισοδύναμων ελαστικών σταθερών, στο πλαίσιο της θεώρησης του δείγματος ως ένα ισοδύναμο συνεχές και ελαστικό μέσο. Εξετάστηκε η συμπεριφορά των δειγμάτων υπό την τάση ορθών και διατμητικών τάσεων (μηχανική συμπεριφορά) καθώς και υπό τη δράση σταθερής βαθμίδας πίεσης, λόγω της ροής υγρού μέσω των ασυνεχειών των διαφορετικών δειγμάτων (υδραυλική συμπεριφορά). Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται η προσπάθεια εύρεσης των κατάλληλων οριακών συνθηκών για την ομαλή διεξαγωγή των προσομόιώσεων και εξετάζεται η καταλληλότητα αυτών μέσω της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων και της σύγκρισης με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. Στην εργασία εξετάστηκαν συμμετρικά ρωγματωμένα δείγματα πετρώματος, με σκοπό την διερεύνηση του αριθμητιού κώδικα 3DEC και τη μελλοντική προσομοίωση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς δειγμάτων πετρώματος τα οποία διατέμνονται από ασυνέχειες τυχαίου προσανατολισμού. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στην προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των υπό εξέταση δειγμάτων, λόγω προβλημάτων που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης συγκεκριμένων περιπτώσεων (π.χ δείγμα με μία κεκλιμένη ασυνέχεια). Για το λόγο αυτό, αναλύονται τρεις διαφορετικές περιπτώσεις: δείγμα άρρηκτου, ελαστικού πετρώματος, δείγμα ελαστικού πετρώματος που διατέμνεται από μια οριζόντια ασυνέχεια και τέλος δείγμα ελαστικού πετρώματος με τρεις κάθετες μεταξύ τους ασυνέχειες. Παρουσιάζονται συνεπώς, οι οριακές συνθήκες που επιλέχτηκαν, οι οποίες περιλαμβάνουν την επιβολή τάσεων και μετατοπίσεων στις εξωτερικές πλευρές του δείγματος, καθώς και η περαιτέρω ερμηνεία των άμεσων αποτελεσμάτων που λήφθηκαν από τον αριθμητικό κώδικα 3DEC για την εξαγωγή των ισοδύναμων μηχανικών και υδραυλικών συντελεστών των δειγμάτων και την εξέταση της εγκυρότητας και αντικειμενικότητας των αριθμητικών προσομοιώσεων.In the present diploma thesis there has been an attempt to simulate the mechanical and hydraulic behavior of 3D fractured rock samples. Objective of this effort was the estimation of the equivalent elastic coefficients under the consideration of the sample as an equivalent continuum elastic medium. The behavior of the samples was investigated when subjected to normal and shear stresses (mechanical behavior) and to fixed total pressure gradient, due to the fracture fluid flow (hydraulic behavior). In details, an attempt was made towards the determination of the most suitable boundary conditions for the realization of the simulations, whose suitability is discussed through the evaluation of the obtained results. In the following thesis, symmetrically fractured rock samples were examined in order to investigate the 3DEC code and to potentially be able to simulate and predict the behavior of non- symmetrically fractured rock samples. Particular attention was given to the simulation of the mechanical behavior of the samples under consideration, due to problems encountered during the simulation of certain samples (e.g. sample including an inclined joint). Therefore, three different cases were analysed: non fractured elastic rock sample, elastic rock sample traversed by a single horizontal joint, elastic rock sample traversed by three orthogonal joints. The selected boundary conditions are presented, which consist of imposing both stress and displacement along the boundary faces of the sampe. In addition, further interpretation of the results obtained by 3DEC was carried out, in order to examine the validity and objectivity of the simulations through the comparison of the calculated equivalent elastic coefficients with the ones predicted theoretically.Αλεξάνδρα Ι. Τσόπελ

Fluid migration in faulted shale rocks: channeling below active faulting threshold

International audienceDuring fluid injection tests performed inside the clay-rich Tournemire fault zone, the monitored fault displacement exhibited limited amplitudes whereas a sharp increase of the permeability occurred as the fluid pressure reached a threshold value. The injected fluid channeled through the fractured zone or at the interface between the host rock and the fault core over decameter distances without triggering large irreversible deformation of the fault zone. To assess the underlying hydro-mechanical mechanisms of this sudden increase of permeability, a numerical model was set up to simulate an injection test inside a fracture. When the fluid pressure outweighs the mechanical contribution of the heterogeneities along the fracture planes, the sudden increase of permeability appears. The existence of the channeling process, occurring below a critical fluid pressure at the fracture scale, could explain why it is possible to generate fault leakage inside a non-active fault zone crossing shale rocks. Based on the in-situ and laboratory monitoring, an analytical expression based on TPHM (Two-Part Hooke's Model) can reproduce the stress-dependent permeability evolution. For low values of the effective stress, a simple cubic law formulation does not reproduce correctly the sharp increase of permeability identified once the Fracture Opening Pressure (FOP) is reached

Pressurized fluid flow within the mechanical stability domain of fault zones in shale

Fracture interaction mechanisms and reactivation of natural discontinuities under fluid pressurization conditions inside fault zone can represent critical issues in risk assessment of caprock integrity. A field injection test, carried out in a damage fault zone at the decameter scale i.e. mesoscale, has been studied using a Distinct Element Model. Considering the complex structural nature of a fault zone, the contribution of fracture sets on the bulk permeability has been investigated during a hydraulic injection. It has been shown that their orientation for a given in-situ stress field plays a major role. However, if homogeneous properties are assigned to the fracture planes in the model, the limited irreversible displacements cannot be reproduced. Despite these limited displacements (40 µm maximum), the transmissivity increased by a factor of 10-100. These results provide insights in fracture controlled permeability of fault zones depending on the geometrical properties of the fractures and their resulting hydro-mechanical behavior for a given in–situ stress field

The Challenges of Vaccine Trial Participation among Underserved and Hard-to-Reach Communities: An Internal Expert Consultation of the VACCELERATE Consortium

: Underserved and hard-to-reach population groups are under-represented in vaccine trials. Thus, we aimed to identify the challenges of vaccine trial participation of these groups in member countries of the VACCELERATE network. Seventeen National Coordinators (NC), each representing their respective country (15 European countries, Israel, and Turkey), completed an online survey. From 15 eligible groups, those that were more frequently declared underserved/hard-to-reach in vaccine research were ethnic minorities (76.5%), persons experiencing homelessness (70.6%), illegal workers and refugees (64.7%, each). When prioritization for education on vaccine trials was considered, ethnic groups, migrants, and immigrants (5/17, 29.4%) were the groups most frequently identified by the NC as top targets. The most prominent barriers in vaccine trial participation affecting all groups were low levels of health literacy, reluctance to participate in trials due to engagement level, and low levels of trust in vaccines/vaccinations. This study highlighted population groups considered underserved/hard-to-reach in countries contained within the European region, and the respective barriers these groups face when participating in clinical studies. Our findings aid with the design of tailored interventions (within-and across-countries of the European region) and with the development of strategies to overcome major barriers in phase 2 and phase 3 vaccine trial participation

The challenges of vaccine trial participation among underserved and hard-to-reach communities : an internal expert consultation of the VACCELERATE Consortium

Abstract: Underserved and hard-to-reach population groups are under-represented in vaccine trials. Thus, we aimed to identify the challenges of vaccine trial participation of these groups in member countries of the VACCELERATE network. Seventeen National Coordinators (NC), each representing their respective country (15 European countries, Israel, and Turkey), completed an online survey. From 15 eligible groups, those that were more frequently declared underserved/hard-to-reach in vaccine research were ethnic minorities (76.5%), persons experiencing homelessness (70.6%), illegal workers and refugees (64.7%, each). When prioritization for education on vaccine trials was considered, ethnic groups, migrants, and immigrants (5/17, 29.4%) were the groups most frequently identified by the NC as top targets. The most prominent barriers in vaccine trial participation affecting all groups were low levels of health literacy, reluctance to participate in trials due to engagement level, and low levels of trust in vaccines/vaccinations. This study highlighted population groups considered underserved/hard-to-reach in countries contained within the European region, and the respective barriers these groups face when participating in clinical studies. Our findings aid with the design of tailored interventions (within-and across-countries of the European region) and with the development of strategies to overcome major barriers in phase 2 and phase 3 vaccine trial participation