Circulation de fluides dans des roches fracturées : étude

6ième colloque GEOFCAN – 25-26/09/2007 – Bondy, France
Circulation de fluides dans des roches fracturées :
étude au laboratoire de la dynamique de circulation dans une
fracture à géométrie simple
par tomographie de résistivité électrique.
G. LEKMINE(1), M. PESSEL(1), H. AURADOU(2)
UMR 8148 IDES, Université Paris 11, Bât. 504, 91450 Orsay Cedex, France
UMR 7608 FAST, Université Paris 6 et 11, Bât. 502, 91450 Orsay Cedex, France
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Abstract
The hydraulic and transport properties of fractured rocks are crucial in applications such as
subsurface hydrology, radioactive waste storage or recovery of geothermal energy from low
permeability hot dry rock. In this work ERT (electrical resistivity tomography) was tested on a
simple fracture to provide key additional informations on the water saturation of fractures and the
propagation of the tracer in the rock matrix. The experimental setup consists of 2 parallel satured
bricks, the space between them simulating a fracture. Saline tracer is injected into this simple
fracture and several ERT dataset are acquired. The electrical resistivity measurements are realized
with a SYSCAL R1 Plus (Iris Instruments) using a dipole-dipole configuration. The data inversion is
carried with the Res2Dinv sofware and specific options : boundary layers, time lapse inversion ...
Introduction
Notre objectif est l’évaluation et l’application de l’imagerie électrique pour la caractérisation non
invasive 3D de la structure d’un milieu présentant une perméabilité de fractures. Plus
particulièrement, nous nous intéressons à la circulation de fluides dans des terrains où le passage
des fluides s’opère par les fissures. Cette problématique est centrale dans des domaines aussi variés
que l’hydrologie ou la récupération du pétrole. La fissuration des milieux naturels résulte de
mécanismes de rupture variés allant du refroidissement de la roche, aux plissements du terrain. De
plus dans des milieux tels les calcaires, la fissuration créera une seconde porosité beaucoup plus
importante que la porosité de matrice. Ce contraste est à l’origine, par exemple, des fortes
variabilités des temps de transit des éléments qui peuvent être soient véhiculés rapidement par les
fluides en écoulement dans le réseau soient se retrouver piégés pendant un temps beaucoup plus
long au coeur de la porosité.
Depuis quelques années, l’imagerie électrique est utilisée pour le suivi dynamique de l’infiltration
d’un fluide dans des milieux poreux naturels ou synthétisés en laboratoire (Slater et al., 2000). Le
traçage du fluide est réalisé en salant ce dernier : l’excès de conductivité ainsi introduite permet, par
contraste d’images, de suivre son étalement et de mesurer la saturation dans chaque boîte de
mesure. Dans ces études on s’intéresse principalement à deux choses : la vitesse d’avancée du front
et son étalement dans la direction latérale. Si des fissures sont présentes dans le milieu, elles créent
des chemins préférentiels d’écoulement permettant l’étalement rapide du fluide. Ce phénomène sera
accentué ou réduit si, de surcroît, il existe une différence de densité ou de viscosité entre deux
fluides. L’objectif de notre étude est de quantifier les dynamiques d’étalement en fonction de la
différence de mobilité entre les fluides et de la configuration du réseau.
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Description de l'expérience
Avant de constituer un réseau fracturé, une expérience simple a été mise en place : il s'agit d'injecter
un traceur dans une fracture à géométrie simple et bien définie (cf. fig. 1).
Figure 1 - Vue en coupe d'une fracture créée par 2 briques et du système d'injection du traceur.
Une expérience similaire (LaBrecque et al., 2004) a montré que les briques étaient des matériaux
relativement pratiques, bon marché et présentant une porosité importante (entre 20 et 30%).
Des panneaux électriques sont obtenus à des pas de temps constants après le début de l'injection du
traceur dans la fracture. L'inversion des données est effectuée par le logiciel res2Dinv. Afin de
mieux contraindre et d'améliorer la résolution des modèles de distribution de résistivité électrique
obtenues par inversion, le maillage du modèle dans et autour de la fracture est adapté (grille plus
fine). De plus des informations a priori sont fournies à la méthode inverse via la localisation des
bords de la fracture, plus précisément on impose à la méthode inverse un contraste de résistivité aux
bords de la fracture (cf. fig 2a). De plus les inversions sont contraintes par une inversion « timelapse » (Barker and Moore, 1998).
Résultats et discussion
La figure 2 présentent une série de panneaux électriques pendant une injection de traceur
(concentration NaCl = 1g/l). Le premier panneau est mesuré avant l'injection. La fracture est
clairement avec une conductivité maximale de 15-20 ohm.m, ce qui correspond à la conductivité de
l'eau du robinet dans laquelle sont immergées les briques. Les 3 panneaux électriques suivants sont
effectués respectivement 30mn, 60mn et 90mn après le début de l'injection, tandis que le dernier a
été mesuré 60mn après avoir remplacé le traceur par de l'eau du robinet. Ces panneaux mettent
parfaitement en évidence une diffusion par gravité du traceur dans la brique inférieure. De même
après 1h de « rinçage » on retrouve à peu près
l'image initiale.
Perspectives
Cette première expérience a permis de calibrer et de définir le protocole de mesures, autant en
acquisition de données qu'en inversion. L'objectif à présent est d'une part, de quantifier et de
modéliser la diffusion gravitaire et d'autre part de complexifier le système de fractures.
Références bibliographiques
Barker, R. and Moore, J. 1998. The application of time-lapse electrical tomography in groundwater
studies. The Leading Edge 17: 1454 – 1458.
LaBrecque D., Sharpe R., Wood T. and Heath G. 2004.. Small-scale electrical resistivity
tomography of wet fractured rocks. Ground Water, 42, 111-118.
Slater L., Binley A.M., Daily W. and Johnson R.2000. Cross-hole electrical imaging of a controlled
saline tracer injection. J. Appl. Geophys. 44, 85-102.
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6ième colloque GEOFCAN – 25-26/09/2007 – Bondy, France
Figure 2 - Panneaux électriques obtenus lors d'une injection d'un traceur dans une fracture.
a) : état initial,
b-d) après 30mn, 60m, et 90mn d'injection du traceur,
e) après 1h d'injection d'eau du robinet.
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