Difficultés rencontrées lors du stockage de CO2 en raison de la présence de faille

APPLICATION AU CONTEXTE DE STOCKAGE GEOLOGIQUE DE CO2

De nos jours, l’effet de serre lié à l’émission de CO2 relève la nécessite de stocker ce gaz dans des formations géologiques profondes. Le stockage de CO2 peut se faire dans (i) des gisements de pétrole en fin d’exploitation, (ii) des aquifères salins profonds ou bien (iii) des veines de charbon non-exploités (Orr, 2004). Plusieurs difficultés sont rencontrées lors du stockage de CO2 en raison de la présence de faille ou bien des réseaux de fractures complexes et très hétérogènes dans la zone de stockage. D’une manière générale, la zone de faille est une structure complexe composée d’un noyau entouré par des zones endommagées contenant une densité forte de micro-fractures de longueur et d’orientation différentes. En plus, différents phénomènes peuvent se produire lors du processus de l’injection de CO2 tels que : le développement de la plastification dans la zone de faille (Vu, 2012), le risque de propagation aux extrémités de la faille ou bien des fractures en mode II (par cisaillement), le risque de pénétration des fluides dans les couches géologiques supérieurs par propagation en Mode I (Gor et al., 2013) qui peut entrainer la pollution des nappes phréatiques, le phénomène de sismicité induite lié à l’instabilité de propagation, etc.

En général, un modèle élastoplastique de type Mohr-Coulomb est très souvent utilisé pour la zone de faille afin de modéliser le risque de rupture en cisaillement lié à l’injection de CO2 (i.e. le glissement) (Streit et Hillis, 2004 ; van Ruth et al., 2006). Dans le cadre du Bassin de Paris, l’étude de l’évolution de l’état de plastification du noyau de la faille au cours du processus d’injection de CO2 a été étudiée par Vu (2012) en utilisant le modèle élastoplastique de Drucker-Prager, avec une loi associée sans écrouissage. Dans son travail, Vu a montré qu’il existait une gamme de pressions d’injection très sensible dans laquelle la longueur totale de plastification de la faille évolue assez brusquement (pour l’injection des pressions entre 1.5 et 1.6 fois la pression hydrostatique à l’état initial au niveau du puits d’injection). A la fin de l’opération d’injection correspondant à une pression d’injection d’environ 2 fois de la pression hydrostatique, environ 80% de la longueur totale de la faille est plastifiée. En plus de la plastification, le risque de propagation de la faille et de sismicité induite peut également se produire en raison de la diminution de la contrainte effective dans la zone de stockage. L’objectif de ce chapitre est de présenter les résultats d’une étude d’injection de CO2 dans le Bassin de Paris en utilisant le Modèle de Fracture Cohésive (MFC) présenté dans le Chapitre 4. Pour ce faire, la zone de faille est simplifiée par un noyau rempli d’un matériau très peu perméable et deux zones endommagées horizontales situées à deux côtés de la faille. Le noyau de la faille est modélisé par des éléments de joints cohésifs à 4 nœuds d’épaisseur nulle. Les deux zones endommagées fortement fracturées autour de la faille sont simplifiées en deux zones élastiques avec des perméabilités équivalentes. Le CO2 à l’état supercritique (i.e. en liquide) est injecté dans le puits d’injection. Pour des raisons de simplification, l’injection de CO2 supercritique est considérée comme l’injection d’eau pure à faible incrément de pression pendant une longue durée. D’où aucun effet chimique n’est pris en considération. On cherche à déterminer la longueur endommagée de la faille ainsi que le phénomène d’instabilité possible durant la procédure d’injection. Ce phénomène d’instabilité est potentiellement utile pour expliquer la sismicité induite qui peut être produite comme l’on a vu dans le cadre du projet de stockage de Castor en Espagne.

est simplifiée par deux zones fracturées (zone endommagée 1 et 2) avoisinantes. La faille ayant une longueur d’environ 450 m dont les extrémités se trouvent respectivement à une profondeur de 1400 m et 1800 m et entre la coordonnée horizontale de 6900 m et 7100 m par rapport au centre du modèle. Une description plus détaillée de cette zone est présentée dans la Figure 5-2b. Le noyau de faille est considéré comme une couche d’argile très peu perméable d’une épaisseur de 1 m dont les propriétés hydromécaniques sont données dans le Tableau 5-3. densité très forte de fractures intersectées. La zone endommagée 2, d’épaisseur de 30 m de chaque côté de la faille, présente une densité moyenne de fractures intersectées ou non. A l’extérieur de la zone de faille se trouve la roche intacte. Grâce à son architecture, la zone de faille joue deux rôles différents : (i) en raison de son réseau de fractures intersectées, la zone de faille se comporte comme une conduite hydraulique vers le haut, (ii) en revanche, la faible perméabilité du noyau de la faille fournit une barrière hydraulique latérale. Chaque zone endommagée comprend plusieurs familles de fractures avec différents densité, longueur, angle d’orientation, épaisseur et raideur. Les paramètres de deux zones endommagées et différentes familles de fractures sont présentés dans le Tableau 5-4.