Soutenance de thèse de Arezki CHABANI

Analyse méthodologique et caractérisation multi-échelle des systèmes de fractures à l'interface socle/couverture sédimentaire – application à la géothermie (bassin de Valence, SE France)

Le 1 juillet 2019

Résumé de la thèse en français

Le bassin de Valence, un fossé d'effondrement appartenant au système ECRIS localisé le long du couloir Rhodanien, est l'objet d'études approfondies quant à son potentiel géothermique. Dû à l'histoire évolutive polyphasée du bassin, les réseaux de fractures du socle et de la base de la couverture sédimentaire ciblés pour l'exploitation géothermique présentent une organisation complexe. Cette étude vise donc à caractériser l'organisation du bassin de Valence et de ces réseaux de fractures. Elle s'appuie sur les données sismiques et de forages du bassin, ainsi que les cartes géologiques, le modèle numérique du terrain et des affleurements de la marge ardéchoise. Deux méthodes de caractérisation des orientations et des longueurs des fractures sont développées dans ce travail. Leur application a permis de déterminer les paramètres des modèles de réseaux de fractures, et a mis en évidence un fort héritage structural mais aussi un découplage du socle et de la couverture.

Résumé de la thèse en anglais

The Valence basin is a graben located in the Rhodanian corridor which belongs to the ECRIS system, and is the subject of many studies due to its geothermal potential. In response to its a multiphase history, fracture networks of the basement and sedimentary cover which are targeted for geothermal exploitation show a complex organization. This study aims to characterize facture networks organization in the Valence basin. It is based on seismic and borehole data in the basin, as well as geological maps, digital elevation model (DEM) and outcrops on the Ardèche margin. Two methodological studies were developed to characterize the orientation and length distributions. These methods allowed to determine fracture network modelling parameters, and highlighted a structural heritage but also a detachment between the basement and the cover.

Titre anglais : Methodological analysis and multiscale characterization of fracture systems at the basement/sedimentary cover interface – Application on geothermics (Valence basin, SE France)
Date de soutenance : lundi 1 juillet 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech, 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – L109
Directeur de thèse : Isabelle COJAN

Soutenance de thèse de Dac Thuong NGO

Modélisation numérique de la stimulation hydraulique et de la sismicité induite dans des réservoirs géothermiques profonds

Le 27 juin 2019

Résumé de la thèse en français

La géothermie est une source d'énergie renouvelable pouvant servir de base pour la production d'électricité ou le chauffage, sans ou avec une émission limitée de gaz à effet de serre. Cependant, le développement et l'exploitation des réservoirs géothermiques profonds s'accompagnent généralement d'une sismicité induite – un effet secondaire qui peut susciter de vives inquiétudes auprès du public et empêcher une utilisation à grande échelle de l'énergie géothermique. La pièce maîtresse d'une installation géothermique est un échangeur de chaleur, c'est-à-dire un réservoir, situé dans des roches chaudes en profondeur. Ce réservoir de roche est créé en utilisant la technique de la stimulation hydraulique, qui consiste essentiellement à injecter un fluide à des pressions élevées pour créer de nouvelles fractures hydrauliques qui se connecteront au réseau de fractures ou de failles préexistantes. Ce faisant de nouvelles voies pour la circulation du fluide seront créées et la surface d'échange de chaleur sera considérablement augmentée. Plusieurs processus physiques couplés interviennent lors de la stimulation et de l'exploitation de réservoirs géologiques profonds. Il s'agit essentiellement de la déformation et de la rupture de la roche, de l'écoulement du fluide, et des variations de température. Ces processus couplés et dépendants du temps sont à l'origine de la propagation des fractures et de la réactivation de failles, responsable de la sismicité induite. Cette thèse de doctorat est axée sur l'utilisation de simulations numériques dans le but de mieux comprendre le comportement thermo-hydro-mécanique des réservoirs géothermiques fracturés et de déterminer le potentiel de sismicité induite. La propagation des fractures hydrauliques et la réactivation de failles préexistantes sont modélisées à l'aide du concept de matériau cohésif en combinaison avec des éléments finis cohésifs et en tenant compte des processus physiques sous-jacents (par exemple, écoulement de fluide, déformation de la roche). Différents facteurs pouvant avoir un impact majeur sur la propagation de la fracture et la réactivation de la faille sont étudiés, tels que le frottement des failles préexistantes, le débit d'injection de fluide et l'orientation des failles. Les variations de température résultant de l'injection et de la circulation d'un fluide pouvant avoir un effet à long terme sont également étudiées séparément. La sismicité induite est ensuite étudiée sous l'angle de l'utilisation de la loi de la conservation de l'énergie afin d'expliquer le mécanisme de génération d'ondes élastiques consécutif à la rupture. Le processus de conversion de l'énergie de déformation accumulée dans un système avant la rupture en énergie cinétique pendant la rupture, quelle que soit la vitesse avec laquelle la charge externe est appliquée au système, est clairement démontré. Cette approche permet de bien comprendre les facteurs qui ont un impact majeur sur l'intensité des ondes sismiques induites. Ensuite, une procédure de modélisation est proposée pour calculer les accélérations maximales induites à la surface du sol par le glissement de la faille. Ces accélérations sont utilisées pour évaluer l'intensité du séisme en relation avec la perception humaine des ondes sismiques et l'endommagement causé aux infrastructures, participant ainsi au processus d'acceptation par le public de tout nouveau projet d'exploitation géothermique.

Résumé de la thèse en anglais

Geothermal energy is a renewable resource that can provide base-load energy for electricity production or heating purposes without, or with limited, emission of green house gases. However, the development and the exploitation of deep geothermal power plants is usually accompanied by induced seismicity – a side effect that can raise serious concerns to the public and may prevent large-scale application of geothermal energy. The centerpiece of a deep geothermal power plant is a heat exchanger, i.e., a reservoir, located in hot rocks at depth. This rock reservoir is created using a hydraulic stimulation technique, which essentially consists of injecting fluid at high pressures to create new hydraulic fractures that will connect with pre-existing fractures/faults, thus multiplying possible pathways for fluid circulation. Multiple physical processes are involved during the stimulation and exploitation of the rock reservoir, including fluid flow, rock deformation of the rock, and temperature changes. These processes are the origin of the rock failure (e.g., fracture propagation, fault reactivation) that is responsible for the induced seismicity. In return, the induced seismicity can be regarded as a real-time indicator of the spatial progress of the reservoir during hydraulic stimulation. This doctoral research focuses on the use of numerical simulations to better understand the behavior of fractured geothermal reservoirs and the potential of induced seismicity. The propagation of hydraulic fractures and the reactivation of pre-existing faults are modeled using the cohesive material concept in combination with finite cohesive elements and taking into account the underlying physical processes (e.g., fluid flow, rock deformation). Various factors that may have a major impact on fracture propagation and fault reactivation are investigated, such as the friction condition of the pre-existing faults, the fluid injection rate, and the fault orientation. Temperature changes resulting from fluid injection and circulation that may have a long term effect are also separately investigated. The induced seismicity is first studied from the standpoint of using the law of energy conservation in order to explain the mechanism of elastic waves generation due to failure. The process of converting the strain energy accumulated in a system prior to the failure into kinetic energy during failure, regardless of how slowly the external load is applied to the system, is clearly demonstrated. This approach provides a good understanding of the factors that have a major impact on the intensity of the induced seismic waves. A modeling procedure is then proposed to calculate the peak ground accelerations that are induced by the fault slip. The computed accelerations on the ground surface are used to assess the earthquake intensity, the human perception of the seismic waves, and the damage potential to infrastructures.

Titre anglais : Numerical modeling of hydraulic stimulation and induced seismicity in deep geothermal reservoirs
Date de soutenance : jeudi 27 juin 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech, 60 boulevard Saint-Michel 75006 PARIS – L109
Directeurs de thèse : Frédéric PELLET, Dominique BRUEL

Soutenance de thèse de Julien COTTON

Analyse et traitement de données sismiques 4D en continu et en temps réel pour la surveillance du sous-sol

Le 19 juin 2019

Résumé de la thèse en français

La sismique réflexion 3D est largement utilisée dans l'industrie pétrolière. Cette méthode d'auscultation du sous-sol fournit des informations sur les structures géologiques et peut être utilisée pour construire des modèles de réservoir. Cependant, les propriétés dérivées des données sismiques 3D (et 2D) ne sont que statiques: elles ne permettent pas d'évaluer ce qui change avec le temps. L'ajout d'une dimension temporelle aux données 3D est obtenue par la répétition des mesures à plusieurs dates séparées de plusieurs mois voire même de plusieurs années. Ainsi, la sismique 4D (time-lapse) permet d'appréhender les modifications du sous-sol sur le long terme. Depuis les années 90, cette méthode est utilisée dans le monde entier en mer et à terre. Pour réaliser une surveillance beaucoup plus fréquente (quotidienne), voire continue (quelques heures) du sous-sol, CGG a développé, en collaboration avec Gaz de France (désormais ENGIE) et l'Institut Français du Pétrole (maintenant IFPEN), une solution basée sur des sources et des récepteurs enterrés: SeisMovie. SeisMovie a été initialement conçu pour suivre et cartographier en temps-réel le front de gaz lors des opérations de stockage en couche géologique. Il est aussi utilisé pour observer l'injection de vapeur nécessaire à la production d'huile lourde. Dans cette thèse, nous apportons des contributions à trois défis qui apparaissent lors du traitement des données sismiques issues de ce système. Le premier concerne l'atténuation des variations de proche surface causées par les ondes « fantômes » qui interfèrent avec les ondes primaires. Le second concerne la quantification des modifications du sous-sol en termes de variation de vitesse de propagation et d'impédance acoustique. Le troisième concerne le temps-réel : le traitement doit être au moins aussi rapide que le cycle d'acquisition (quelques heures). En effet l'analyse des données doit permettre aux ingénieurs réservoirs de prendre rapidement des décisions (arrêt de l'injection, diminution de la production). Dans un cadre plus général, il existe des similitudes conceptuelles entre la 3D et la 4D. En 4D, ce sont les acquisitions répétées qui sont comparées entre elles (ou avec une référence). En 3D, pendant l'acquisition, les géophysiciens de terrain comparent les points de tir unitaires entre eux afin d'évaluer la qualité des données pour prendre des décisions (reprendre le point de tir, continuer). Dès lors, certains outils 4D temps-réel développés pendant cette thèse peuvent être appliqués. Ainsi une toute nouvelle approche appelée TeraMig pour le contrôle qualité automatisé sur le terrain sera également présentée.

Résumé de la thèse en anglais

3D seismic reflection is widely used in the oil industry. This standard subsoil auscultation method provides information on geological structures and can be used to build reservoir models. However, the properties derived from 3D (and 2D) seismic data are only static: 3D does not allow to evaluate the changes with calendar time. The addition of a temporal dimension to 3D data is obtained by repeating the measurements at several dates separated by several months or even several years. Thus, 4D seismic (time-lapse) makes it possible to measure and to analyze the changes of the subsoil in the long term. Since the 90s, this method is used worldwide at sea and on land. To carry out a much more frequent monitoring (daily), even continuous (a few hours) of the subsoil, CGG developed, in collaboration with Gaz de France (now ENGIE) and Institut Français du Pétrole (now IFPEN), a solution based on buried sources and receptors: SeisMovie. SeisMovie was originally designed to monitor and map the gas front in real time during geological disposal operations. It is also used to observe the steam injection required for heavy oil production. In this thesis, we bring contributions to three challenges arising in the processing of seismic data from this system. The first one concerns the attenuation of near-surface variations caused by "ghost" waves that interfere with primary waves. The second one concerns the quantification of subsurface changes in terms of propagation velocity variation and acoustic impedance. The third one concerns real-time: the data processing must be at least as fast as the acquisition cycle (a few hours). In fact, the analysis of the data must enable the reservoir engineers to make quick decisions (stop of the injection, decrease of the production). In a more general context, there are conceptual similarities between 3D and 4D. In 4D, the repeated acquisitions are compared with each other (or with a reference). In 3D, during acquisition, field geophysicists compare unitary shot points with each other to assess the quality of the data for decision-making (reshooting, skipping or continuing). Therefore, some 4D real-time tools developed during this thesis can be applied. A new approach called TeraMig for automated quality control in the field will also be presented.

Titre anglais : 4D seismic data analysis and processing for underground monitoring: time-lapse, continuous-time and real-time
Date de soutenance : mercredi 19 juin 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – A VENIR
Directeur de thèse : Hervé CHAURIS

Soutenance de thèse de Hao JIANG

Imagerie sismique : stratégies d'inversion des formes d'onde visco-acoustique

Le 21 mai 2019

Résumé de la thèse en français

Résumé de la thèse en anglais

Titre anglais : Seismic imaging: strategies for visco-acoustic full waveform inversion
Date de soutenance : mardi 21 mai 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech 60 boulevard Saint-Michel 75006 PARIS – V106A
Directeur de thèse : Hervé CHAURIS