Resolving thermo-hydro-mechanical coupling: Spontaneous porous fluid and strain localisation

Abstract

Localisation of deformation and flow is ubiquitously observed on Earth, spanning from sub-terraneous locations both in the deep interior and towards the shallow surface. Ductile strain localisation in tectonic processes or channelling and focusing of fluids in porous rocks are widely reported expressions of strain and flow localisation, governed by hydraulic, thermal and mechanical interactions. The intrinsic coupling of these different physical processes provides additional localisation mechanisms to well-established single-process physics. Models that address interactions between different physical processes must include non-linear feedbacks that may potentially trigger new and non-intuitive characteristic length and time scales. Accurately resolving this complex non-linear interplay resulting from coupled physics permits us to better understand the nature of multiphysics processes and to provide more accurate predictions on how, when and where to expect localisation. In many anthropogenic activities related to achieving a carbon-free energy transition, accurate predictions of mid-term to long-term behaviour for geosystems are vital. Engineered waste disposal solutions such as CO2 sequestration and nuclear waste deposits require coupled models in order to predict the complexities of the evolving system. However, there is a current lack in model capability to address the non-linear interactions resulting from multiphysics coupling. Available models often fail to reproduce major first-order field observations of localisation, mainly owing to poor coupling strategies and a lack of affordable resolution needed to resolve very local non-linear features, especially in three spatial dimensions. In this thesis, I address these issues using a supercomputing approach to resolve sufficiently high-resolution stain and flow localisation in non-linearly deforming porous media, relying on a thermodynamically consistent model formulation. The developed graphical processing unit-based parallel algorithms show close to linear weak scaling on the world’s third-largest supercomputer and are benchmarked against classical direct-iterative type solvers. The high-resolution computations are needed for the convergence of the calculations. The results confirm that a strong coupling between solid deformation, fluid flow and heat diffusion provides a viable mechanism for ‘chimney’ formation or strain localisation. Flow localisation in high-permeability chimneys provides efficient pathways for fast vertical fluid migration. By using model parameters relevant for sedimentary rocks, natural observations and their main characteristic features could be reproduced. In summary, this thesis provides an extensive study on hydro-mechanical interaction in fluid-saturated and non-linearly deforming porous rocks. Further, the predicted high-permeability pathways are vital to understand the formation of potential leakage pathways and are a prerequisite for reliable risk assessment in long-term waste storage. Finally, the developed solution strategy is successfully utilised to resolve strain localisation in thermo-mechanically coupled processes. -- La localisation de la déformation et des fluides est observée à l’échelle du Globe, allant des couches profondes jusqu’à la subsurface. Des phénomènes géologiques tels que la localisation de la déformation ductile ou la chenalisation des fluides dans les roches poreuses témoignent d’amplifications locales de la déformation et de la porosité et résultent d’interactions entre des processus hydrauliques, thermiques et mécaniques. Le couplage de ces divers processus physiques génère des rétroactions non-linéaires et aboutit à des nouvelles grandeurs caractéristiques non-triviales. Une résolution précise de ces interactions complexes permet de mieux comprendre la nature des processus multi-physiques et permet d’établir de meilleures prédictions quant à de possibles occurrences de localisation. Passablement d’activités anthropogéniques liées à la transition énergétique reposent sur des prédictions précises de l’évolution à long terme des géo-systèmes. La séquestration du CO2 ainsi que le stockage des déchets nucléaires requièrent l’utilisation de modèles couplés afin de prédire l’évolution des systèmes de confinement. Toutefois, les modèles actuels peinent à reproduire les observations de premier ordre, notamment les évidences de localisation des fluides et de la déformation. Les principales raisons sont le traitement des problèmes trop souvent effectué en deux dimensions, le manque de rigueur dans les stratégies de couplage entre les différents processus ainsi que l’utilisation de résolutions insuffisantes dans les modèles. Dans cette thèse, je propose une approche basée sur le calcul à haute performance permettant de résoudre avec des résolutions élevées les processus de localisation dans des milieux poreux déformables en utilisant des modèles thermodynamiquement consistants. Les algorithmes parallèles développés utilisent des processeurs graphiques disponibles entre autres sur le troisième plus performant superordinateur du monde et reportent un temps de calcul identique lorsque la taille du problème à résoudre grandi proportionnellement avec le nombre de ressources disponibles. Les résultats attestent de la convergence de la méthode et confirment le fait qu’un couplage important entre déformation, écoulement des fluides et diffusion de la chaleur permet la formation de chenaux à perméabilité élevée ainsi que la localisation de la déformation. Ces chenaux, ou drains, permettent l’écoulement focalisé ainsi qu’une migration verticale rapide des fluides. En prenant en compte les paramètres pétrophysiques caractéristiques des roches situées dans des bassins sédimentaires, ces écoulements préférentiels reproduisent les observations naturelles. La prédiction d’occurrence de chenaux à perméabilité élevée est vitale afin de mieux prévenir de potentiels risques de fuites et de fournir des solutions suˆres pour les générations futures en termes de stockage de déchets à risque. Pour conclure, cette thèse propose une étude extensive sur les interactions hydromécaniques dans des roches poreuses saturées avec des fluides. De manière analogue, la stratégie de solution développée a été appliquée pour étudier la localisation de la déformation ductile résultant d’un couplage thermomécanique