Estimation de la perméabilité d'une argilite partiellement saturée par méthode inverse

Une méthode inverse est développée pour identifier la perméabilité d'une argilite en conditions partiellement saturées par interprétation d'essais de séchage. L'essai de séchage consiste à mesurer la variation de masse, dont la cinétique est liée à la perméabilité, d'un échantillon de roche sous humidité relative variable. Les couplages hydromécaniques et la présence de gaz résultent en un problème direct de diffusion non linéaire, résolu par éléments finis. Le modèle de comportement choisi est le modèle thermoporoélastique non linéaire de Coussy, et différents effets de couplage ont été pris en compte. L'interprétation de l'essai de séchage est alors un problème d'identification de paramètres, ramené à un problème inverse, consistant à minimiser une fonctionnelle quantifiant l'écart entre les variations de masse mesurées au cours de l'essai et calculées par éléments finis, lesquelles dépendent des paramètres à identifier, c'est-à-dire des paramètres caractérisant la perméabilité

Constitutive modelling of the elastic–plastic, viscoplastic and damage behaviour of hard porous rocks within the unified theory of inelastic flow

International audienceThis article presents a constitutive model for the elastic-plastic, viscoplastic and damage behaviour of hard porous rocks. The main hypotheses of the model are based on a large set of experimental data which are also presented in the paper. This constitutive model is of the over-stress type and is formulated within the unified theory of inelastic flow. An energy-based failure surface was considered to describe both short- and long-term behaviours within the same formulation. The inelastic yield surface is of static nature while the failure and damage surfaces are of dynamic nature. The kinetic law is written in terms of internal state variables that allow the description of how the frictional and the cohesive internal strengths of the material evolves. The reversible inelastic behaviour is also modelled using the ``under-stress'' concept, and considering that, it depends explicitly on the locked energy during the inelastic flow. In addition, this model is adapted to the porous nature of rocks such as iron ore that exhibit strong volumetric deformations and mean stress dependence. A large fraction of the volumetric straining is explained by damage mechanisms that also allow the accelerated creep to be modelled. Model parameters can easily be identified in the laboratory with commonly used mechanical tests. The constitutive model was implemented in a numerical code, and some qualitative simulations and comparisons with experimental curves showed the suitability of the model to reproduce both short- and long-term behaviours of porous rocks similar to iron ore

Modélisation du comportement à court et à long terme des roches de la formation ferrifère lorraine

Non disponible / Not availableDes effondrements d'anciennes mines de fer, formées de chambres et pilliers, se produisent en Lorraine dans des zones habitées. Les stots de protection, censés les protéger, sont abandonnés depuis près de 100 ans pour certains. L'inondation des galeries, provoquée par l'arrêt des pompages d'exhaure, a pu être invoquée pour expliquer des effondrements localisés. L'objet de ce travail de thèse est d'apporter des éléments de solution susceptibles d'expliquer ces effondrements. Les roches étudiées sont le minerai de fer de la couche grise et les intercalaires marneux formant le toit des galeries. L'étude des caractéristiques physiques des roches a été réalisée. Le vieillissement minéralogique du minerai de fer formant les piliers et exposé à l'atmosphère minière oxydante a été démontré, Il se traduit macroscopiquement par une réduction des propriétés mécaniques de la roche, notamment la cohésion. Les roches ont été caractérisées mécaniquement à partir d'essais hydromécaniques et une loi de comportement élasto-plastique, permettant de reproduire leur comportement dans les phases pré- et post-pic, est proposée. L'étude du comportement différé du minerai de fer a nécessité la réalisation d'essais de fluage monoaxiaux, conduits par paliers successifs de contrainte. Une loi de fluage, basée sur une généralisation du modèle de Lemaitre, a été proposée. Cette loi de fluage a été couplée à la loi élasto-plastique afin de prendre en compte leur influence mutuelle. La bonne corrélation entre les résultats expérimentaux et les simulations a montré la capacité du modèle couplé de prédire le comportement à court et à long terme des roches étudiées. Ces lois ont été implantées dans un code de calcul numérique. Dans un cadre continu et en considérant une géométrie bidimensionnelle, les simulations ont montré que l'augmentation du taux de défruitement, le vieillissement, et le fluage sont les paramètres qui conditionnent la stabilité mécanique d'un modèle pilier-chambre

Constitutive modelling of the elastic-plastic, viscoplastic and damage behaviour of hard porous rocks within the unified theory of inelastic flow

International audienceThis article presents a constitutive model for the elastic-plastic, viscoplastic and damage behaviour of hard porous rocks. The main hypotheses of the model are based on a large set of experimental data which are also presented in the paper. This constitutive model is of the over-stress type and is formulated within the unified theory of inelastic flow. An energy-based failure surface was considered to describe both short- and long-term behaviours within the same formulation. The inelastic yield surface is of static nature while the failure and damage surfaces are of dynamic nature. The kinetic law is written in terms of internal state variables that allow the description of how the frictional and the cohesive internal strengths of the material evolves. The reversible inelastic behaviour is also modelled using the ``under-stress'' concept, and considering that, it depends explicitly on the locked energy during the inelastic flow. In addition, this model is adapted to the porous nature of rocks such as iron ore that exhibit strong volumetric deformations and mean stress dependence. A large fraction of the volumetric straining is explained by damage mechanisms that also allow the accelerated creep to be modelled. Model parameters can easily be identified in the laboratory with commonly used mechanical tests. The constitutive model was implemented in a numerical code, and some qualitative simulations and comparisons with experimental curves showed the suitability of the model to reproduce both short- and long-term behaviours of porous rocks similar to iron ore

The influence of different fluids on the static fatigue of a porous rock: Poro-mechanical coupling versus chemical effects

International audienceCharacterization of time-dependent brittle deformation is important for estimating the long-term stability of rock structures in shallow environments such as underground mines which are exposed to water or in a water vapor environment. The poro-mechanical (pore pressure) and chemical (stress corrosion reactions) effects of fluids at crack tips are responsible for the subcritical propagation of microcracks. This brittle creep results in the weakening of porous rocks over time (i.e., static fatigue). The focus of this work was to characterize using very long duration uniaxial multi-step creep tests, both the fluids effects on subcritical stress corrosion cracking in a porous rock (oolithic iron ore). Different fluids with increasing levels of chemical influence (oil, ethanol and water) were tested and both acoustic and mechanical properties were investigated. The evolution of the cumulative number of AE (Acoustic Emission) events, which reproduces the shape of the creep curves very efficiently, and static elastic properties indicate that micro-cracking plays the main role in the creep process. The poro-mechanical effect, which is predominant under partially saturated (water or ethanol) conditions, decreases the rate of subcritical cracking through capillary attraction forces. These forces harden porous rocks by modifying the effectiVe stress state, increasing the activation energy barrier of the stress corrosion process and the fracture toughness and decreasing the stress intensity factor. The chemical effect of fluids is related to minerals developing stress corrosion reactions at crack tips which enhance subcritical cracking. Immersion in water/ethanol annihilates capillary forces and decreases the activation energy of the chemical reactions, thus increasing dilatancy, the rate of stress corrosion cracking, AE activity and rock weakening. Under saturated conditions, the timedependent strength and time to failure increase as the chemical influence of the interstitial fluid decreases but the cumulative number and energy of AE at failure do not seem to be influenced by the chemistry of fluids. The short-term strength and deformability are also influenced by the level of chemical influence of the interstitial fluid but to a less remarkable extent because of the slow rate of chemical reactions. Water is therefore the most effective chemical agent promoting stress corrosion of iron ore among the fluids tested in our study

Modélisation du comportement à court et à long terme des roches de la formation ferrifère lorraine

Des effondrements d'anciennes mines de fer, formées de chambres et pilliers, se produisent en Lorraine dans des zones habitées. Les stots de protection, censés les protéger, sont abandonnés depuis près de 100 ans pour certains. L'inondation des galeries, provoquée par l'arrêt des pompages d'exhaure, a pu être invoquée pour expliquer des effondrements localisés. L'objet de ce travail de thèse est d'apporter des éléments de solution susceptibles d'expliquer ces effondrements. Les roches étudiées sont le minérai de fer de la couche grise et les intercalaires marneux formant le toit des galeries. L'étude des caractéristiques physiques des roches a été réalisée. Le vieillissement minéralogique du minerai de fer formant les piliers et exposé à l'atmosphère minière oxydante a été démontré, Il se traduit macroscopiquement par une réduction des propriétés mécaniques de la roche, notamment la cohésion. Les roches ont été caractérisées mécaniquement à partir d'essais hydromécaniques et une loi de comportement élasto-plastique, permettant de reproduire leur comportement dans les phases pré- et post-pic, est proposée. L'étude du comportement différé du minerai de fer a nécessité la réalisation d'essais de fluage monoaxiaux, conduits par paliers successifs de contrainte. Une loi de fluage, basée sur une généralisation du modèle de Lemaitre, a été proposée. Cette loi de fluage a été couplée à la loi élasto-plastique afin de prendre en compte leur influence mutuelle. La bonne corrélation entre les résultats expérimentaux et les simulations a montré la capacité du modèle couplé de prédire le comportement à court et à long terme des roches étudiées. Ces lois ont été implantées dans un code de calcul numérique. Dans un cadre continu et en considérant une géométrie bidimensionnelle, les simulations ont montré que l'augmentation du taux de défruitement, le vieillissement, et le fluage sont les paramètres qui conditionnent la stabilité mécanique d'un modèle pilier-chambre.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Influence des fluides sur la diagénèse d'enfouissement des réservoirs carbonatés très enfouis (étude expérimentale sous contraintes)

Afin de satisfaire à la croissance des besoins énergétiques mondiaux, le domaine des réservoirs carbonatés très enfouis (Deeply Buried Reservoirs) constitue une cible privilégiée pour l'exploration et l'exploitation pétrolière. La préservation, dans les roches carbonatées, de propriétés pétrophysiques favorables (porosité / perméabilité) à grande profondeur peut alors conduire à l'existence d'un réservoir profondément enfoui (Deeply Buried Reservoir, DBR). Les processus chemo-mécaniques impliqués dans la diagénèse d'enfouissement des réservoirs carbonatés sont cependant encore mal contraints et il y a un manque crucial de données expérimentales sur ce sujet. Afin de mieux comprendre ces processus et de déterminer comment la porosité et la perméabilité peuvent être préservées aux profondeurs des DBR (>4000m), un dispositif expérimental novateur et le protocole associé ont été développés. Ce dispositif expérimental permet à la fois de reproduire les conditions de pression / contraintes / température des DBR (80C, contrainte de confinement de 60 MPa et contrainte déviatorique jusqu'à 40 MPa) et de faire circuler des fluides de diverse nature dans les échantillons. Des échantillons d'un calcaire bioclastique induré (calcaire de Massangis) ont été testés via une approche multidisciplinaire : déformations mécaniques de fluage, suivi de l'évolution de la chimie du fluide de circulation et analyses pétrographiques et pétrophysiques des roches. Il a ainsi été démontré qu'il existe une relation importante entre la contrainte mécanique à laquelle est soumise la roche, les interactions thermodynamiques fluide-roche et l'évolution des propriétés pétrophysiques. Le processus principal responsable des déformations de fluage des roches carbonatées lors de l'enfouissement a été déterminé comme étant la pression-dissolution sous contraintes, processus chemo-mécanique impliqué dans la perte de porosité lors de la diagénèse de profondeur. Les expériences menées l'ont été avec différentes conditions de circulation de fluide (saturation et circuit ouvert) et différentes compositions chimiques du fluide ont été testées (eau météorique, eau météorique additionnée de phosphates et saumure). De même, les effets des hydrocarbures et de leur timing de mise en place ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis d'affirmer que, en présence de fluide météorique, la PSC se produit à l'échelle micritique, et résulte en la précipitation de calcite sur les faces libres de la calcite, provoquant le blocage de la microporosité. La préservation des macropores permet de conserver la perméabilité. L'addition de phosphates dans le fluide de circulation résulte en l'inhibition de la PSC tandis que l'augmentation de la salinité par l'ajout de NaCl accélère ce mécanisme. L'injection précoce d'huile dans les échantillons, précédant la circulation de fluide aqueux provoque l'inhibition de la PSC par un coating des grains, résultant en la préservation de la porosité. Les résultats de cette étude montrent l'importance de la chimie du fluide de circulation et du timing de mise en place des hydrocarbures dans la préservation de la porosité précoce à grande profondeurThe preservation of good petrophysical properties (high porosity / high permeability) at great depth in carbonate rocks may lead to the existence of a deeply buried reservoir (DBR), a target of interest for the oil industry. However, chemo-mechanical processes involved in the burial diagenesis of carbonate petroleum reservoirs are still poorly understood or restrained and few experimental results exists in this domain. To better understand these processes and explain how porosity and permeability can be preserved at the great depth of DBR (burial > 4000m), we developed an innovative experimental device and an associated protocol. This device allows both the simulation of high pressure/stresses/temperature conditions (80C, 60 MPa of confining pressure and differential stress up to 40 MPa) of DBR and the circulation of different fluids in rock samples. Through a multidisciplinary approach we tested core samples of a cemented bioclastic limestone (Massangis limestone) and we analyzed creep deformations, chemistry of pore fluids, petrographical and petrophysical properties of samples. It has been demonstrated that there exists an important relationship between the mechanical stress affecting the rock, the thermodynamic of water/rock interactions and the evolution of the petrophysical properties. The main process responsible for creep deformation of carbonated rocks during burial has been determined to be Intergranular Pressure Solution (IPS) resulting in Pressure Solution Creep (PSC) which is the main process implied in the porosity reduction of a carbonate rock during deep burial. Different flow conditions (no-flow and flow-through) and chemical compositions (natural meteoric water, adjunction of phosphate ions, brine) were considered. The effects of hydrocarbon and of their timing of set-up have also been investigated. It has been discovered from our study that, in presence of meteoric fluid, PSC happens at the micritic scale, and results in the blocking of microporosity between micrites crystals due to the precipitation of calcite on free pore walls of micrites. The preservation of macropores allows the preservation of permeability. The adjunction of phosphate ions in the circulating fluid results in the inhibition of PSC while the increase of salinity by addition of NaCl leads to its acceleration. An early injection of oil prior to water circulation causes the inhibition of PSC by the coating of the grains, leading to the preservation of porosity. The dataset obtained from this study show the importance of fluid chemistry and of the timing of oil charging in a reservoir in the preservation of early porosity at great depthNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Étude de l'endommagement à court et long terme d'une roche poreuse

Parmi les différents phénomènes responsables de la déformation à court et long terme des roches poreuses, on s intéresse dans ce travail à l endommagement d un calcaire oolitique en régime semi-fragile et sous différentes conditions hydriques. Dans ce but, nous avons élaboré un dispositif expérimental permettant de mesurer les vitesses des ondes ultrasonores et les déformations ainsi que d écouter les émissions acoustiques sur le même échantillon, sous chargement mécanique et sous différentes conditions hydriques. En particulier, le dispositif expérimental permet de mesurer simultanément, les vitesses des ondes ultrasonores selon 3 directions de propagation (axiale, latérale et hors axe) et 3 polarisations différentes (P et 2 S perpendiculaires), ceci quasi-instantanément, ce qui in fine permet d enregistrer les évolutions des vitesses des ondes ultrasonores en continu pendant le chargement. Ces mesures de vitesses permettent d évaluer le tenseur acoustique à tout moment et donc de suivre en continu l évolution de l état d endommagement de la roche. Le comportement endommageable à court et long terme du calcaire est modélisé à l aide d un modèle phénoménologique qui est basé sur une généralisation macroscopique des mécanismes microscopiques mis en évidence par les études expérimentaux (glissement-ouverture des fissures existantes, nucléation de nouvelles fissures, propagation et coalescence de fissures). Le modèle à court terme reproduit assez bien le comportement expérimental instantané de la roche (courbes contrainte-déformations et évolution des modules élastiques). Le modèle de comportement à long terme, découplé dans sa formulation du modèle à court terme, permet de reproduire qualitativement les courbes de fluage expérimentalesAmong the different phenomena responsible for the short and long term deformation of porous rocks, we have studied in this work the damage of an oolithic limestone in the semi-brittle regime and under different hydrous conditions. For this purpose, we have developed an experimental device allowing the simultaneous and continuous measurement of strains and elastic wave velocities, as well as acoustic emissions, on the same sample under mechanical loading and under different hydrous conditions. Particularly, the experimental setup allows simultaneous and continuous measurement of the five elastic wave velocities in 3 different directions of propagation (axial, lateral and off-axis) and 3 different directions of polarization (P and 2 perpendicular S), this almost instantaneously. These velocity measurements allow to assess the acoustic tensor at any time and thus to continuously monitor the evolution of the damage of the rock. The short and long term damage behavior of the limestone is modelled thanks to a phenomenological model which is based on a macroscopic generalization of the microscopic mechanisms highlighted by the experimental study (sliding-opening of existing cracks, nucleation of new cracks, propagation and coalescence of cracks). The short-term model reproduces very well the instantaneous behavior (stress-strain curves and evolution of elastic moduli). The long-term model, whose formulation is uncoupled from the short-term model, allows reproducing qualitatively the experimental creep curvesNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Etude du comportement à long terme des roches appliquée à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains

Notre étude se propose de combiner une approche expérimentale  à une approche théorique, afin de quantifier l’évolution de la microstructure des roches sous contrainte triaxiale. Le dispositif expérimental permet la mesure continue et simultanée de cinq vitesses d’ondes élastiques différentes sur le même échantillon de roche