Imaging of fractured rock properties from flow and heat transport : field experiments and inverse modelling

Abstract

Mémoires de Géosciences-Rennes, n°145 - ISBN : 2-914375-87-5The accurate characterization of distribution of hydraulic properties and connectivity distribution is essential to predict flow and transport in fractured media. Classical approaches were developed for homogeneous aquifers and result in smooth tomograms that often do not match true heterogeneity distribution of fractured media. The main goal of this thesis is to develop new inverse approaches specifically for imaging hydraulic and transport properties in fractured media at the field-scale. To attain this objective new in situ measurement methods as well as new inverse modelling frameworks are proposed. We first propose flow tomography (i.e., sequential cross-borehole flowmeter tests) as a new approach for characterizing fracture connectivity and transmissivities. Based on a discrete fracture network approach, we present a general method to invert flow tomography data. From synthetic case studies, we show that the tomographic approach reduces significantly the uncertainty on the parameter estimation. Flow tomography approach provides detailed characterization on fracture networks without the necessity of using packers. We then study the contribution of temperature measurements for quantifying flow in fractured media. The advantage of using temperature data is that temperature profiles can be obtained more easily and continuously in space, compared to flowmeter profiles. Using a numerical model of flow and heat transfer at the borehole scale, a method to invert temperature measurements to derive borehole flow velocities was proposed. We then couple the two previously proposed approach in a new experimental approach which we call temperature tomography. This experiment consists of sequential borehole temperature logging under cross-borehole flow conditions. The full inverse framework is then presented to interpret temperature tomography experiments. Application of the temperature tomography approach to Stang er Brune field site showed encouraging results for the identification of general connectivity patterns and transmissivities of the main flowpaths. Finally, we explore the interest of using push-pull thermal tracer tests. Through field experiments and numerical modelling, we demonstrate that conducting push-pull heat tracer tests provide important constraints on the effective transport behavior.La caracterisation de l'agencement spatial des proprietes hydrauliques est essentielle pour predire les ecoulements et le transport des solutes dans les milieux heterogenes. Les methodes de tomographie hydraulique, principalement developpees pour estimer les proprietes des milieux poreux, n'ont qu'une faible r'esolution spatiale qui ne reflete pas la vraie heterogeneite des distributions de fractures des milieux fractures. Le principal objectif de cette these est de developper une nouvelle methode d'inversion specifique pour imager les proprietés hydrauliques et de transport des milieux fractures a l'echelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des experiences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modelisation inverse sont proposees, notamment en utilisant la temperature comme marqueur des ecoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'ecoulement bas'ee sur des tests s'equentiels de debimetrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caracteriser la connectivit'e des fractures ainsi que leur transmissivite. A partir de simulations numeriques reproduisant des cas d'etudes synth'etiques, nous montrons que l'approche par tomographie r'eduit significativement l'incertitude sur les parametres estimes, et fournit une caracterisation detaillee du reseau de fracture sans requerir a l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de temperature peuvent etre utilisees pour quantifier les ecoulements dans les milieux fractur'es. Le grand int'erˆet d'utiliser la temperature est d'obtenir facilement et de facon continue en puits des profils de temp'erature. En utilisant un mod'ele numerique d'ecoulement et de transfert de chaleur a l'echelle du puits, une methode d'inversion pour estimer les vitesses d'ecoulement dans le puits 'a partir des donnes de temperature est proposee. Nous couplons ensuite les deux approches presentees precedemment dans une nouvelle approche experimentale consistant en des enregistrements sequentiels de temperature dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en temperature sur le site de Stanger Brune montre des resultats encourageants pour l'identification du reseau global de connectivite et des zones d'ecoulement principales. Enfin, nous discutons de l'interet d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport 'a l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que realiser des tests de tracage thermiques en milieu fracture fournit des contraintes supplementaires importantes sur les propri'et'es de transport du milieu