Hydraulic Fracturing At Sedimentary Basin Scale Fracturation hydraulique à l'échelle des bassins sédimentaires

Abstract

One key point for simulating the hydraulic fracturing at basin scale, is to be able to compute the stress tensor. This is generally not addressed in basin model because of the complexity of this problem. In order to get access to the stress tensor we have to assume that:- one of the principal stress is vertical and equals the overburden weight;- the horizontal stress is deduced from the vertical stress with the K0 coefficient that is a function of depth and of the tectonical setting. Consolidation is considered here as the combined effect of the mechanical compaction and the chemical compaction. The mechanical compaction is mainly caused by the rearrangement of grains during burial and could be represented at the macroscopical scale by an elastoplastic rheology. The chemical compaction is considered here as resulting from dissolution-precipitation mechanisms, generally induced by stress (pressure-solution). The chemical compaction could be represented at the macroscopical scale by a viscoplastic rheology. The complete elastoplastic yield is defined by the union of the consolidation elastoplastic yield and of the different failure criteria that could be seen as elastobrittle yields. Thus, the elastoplastic yield is composed of six elementary elastoplastic yields which define the onset of vertical compaction, horizontal compaction, vertical tensile fracturing, horizontal tensile fracturing, subvertical shear fracturing, and subhorizontal shear fracturing. Due to the consolidation, most of the parameters that describe the physical properties of the sediments evolve with the geological times. One difficulty is to quantify the degree of evolution of the porous medium during its geological history. Here, we have chosen to measure the evolution of the sediments by their porosity. The local simulations showed that fracturing may occur is numerous configurations. Some of these configurations indicate that the sediments can reach the limit of its elastic domain and then may initiate some fracturing. In other cases, the sediment changes its loading path but stay at the elastoplastic yield surface. In this case the theoretical considerations are not valid anymore and fracture criteria should be defined in the plastic domain. Fracturation hydraulique à l'échelle des bassins sédimentaires Fracturation hydraulique à l'échelle des bassins sédimentaires Le calcul du tenseur des contraintes est déterminant pour pouvoir simuler la fracturation hydraulique à l'échelle des bassins sédimentaires. Ce calcul n'est généralement pas abordé dans les modèles de bassins en raison de la complexité du problème. Pour pouvoir estimer le tenseur des contraintes, nous sommes alors amenés à formuler les hypothèses suivantes: - une des contraintes principales est verticale et égale, en module, au poids des terrains sus-jacents ; - la contrainte horizontale se déduit de la contrainte verticale à partir d'un coefficient de report K0 qui est une fonction de la profondeur et du contexte géodynamique. La consolidation est supposée être le résultat à la fois de la compaction mécanique et de la compaction chimique. La compaction mécanique est principalement due au réarrangement mécanique des grains pendant l'enfouissement. Elle peut se simuler, à l'échelle macroscopique, par une rhéologie élasto-plastique. La compaction chimique est le résultat des mécanismes de pression-dissolution. Elle peut être simulée, à l'échelle macroscopique, par une rhéologie viscoplastique. La surface de charge est complètement définie par l'union de la surface de consolidation avec les différentes limites de rupture. Cette surface de charge est alors définie par six surfaces élémentaires qui représentent la compaction verticale, la compaction horizontale, la rupture verticale en traction, la rupture horizontale en traction, la rupture subverticale en cisaillement, et la rupture subhorizontale en cisaillement. En raison du processus de consolidation, la plupart des paramètres qui décrivent les propriétés physiques des sédiments évoluent avec l'histoire géologique. Une des difficultés est alors de quantifier le degré d'évolution du milieu poreux. Nous avons choisi ici de mesurer l'évolution des sédiments par leur porosité. Les simulations locales ont montré que la fracturation peut apparaître dans de nombreuses configurations. Dans certaines de ces situations, le sédiment peut atteindre les limites de son domaine élastique et peut alors initier des fractures. Dans d'autres cas, le chargement du sédiment change, mais il reste sur sa surface de charge. Dans ce cas, les considérations théoriques ne sont plus valables et les critères de rupture doivent alors être définis dans le domaine plastique.