Soutenance de thèse de NAMONGO SORO Paul Joseph Fimbiyaha
Titre de thèse
Rôle de la stratonomie et de la mécanique sur la géométrie des fractures diffuses dans les roches carbonaté
Role of stratonomy and mechanics on the geometry of diffuse fractures in carbonate rocks
Résumé de la thèse
Les fractures et failles influencent l'écoulement des fluides dans les environnements souterrains, affectant l'extraction des ressources et la gestion environnementale. Cette thèse examine l'interaction entre la stratonomie (l'organisation stratigraphique des propriétés des roches) et la stratigraphie mécanique sur la géométrie des fractures diffuses dans les roches carbonatées, essentielle pour optimiser l'extraction et limiter les risques environnementaux.
Cette recherche combine études de terrain, analyses en laboratoire et modélisation numérique pour : i) analyser l'impact du contraste de propriétés sur l'arrêt des fractures et ii) définir des paramètres pour contraindre la géométrie verticale des fractures dans les modèles DFN. Un outil Python, FracAbut, a été développé pour quantifier la relation géométrique entre fractures et interfaces stratigraphiques via des données 1D et 2D. Cette méthode évalue l'impédance de l'interface, ou sa capacité à stopper ou laisser passer les fractures. Selon la polarité de propagation des fractures, FracAbut calcule des impédances d'interface au-dessus (IIA) et en dessous (IIB) des interfaces pour les fractures ascendantes et descendantes. Les impédances d'interface (IIA et IIB) utilisées dans cette thèse ont été obtenues à partir d'un relevé 2D (numérisation des interfaces et des traces de fractures).
Pour évaluer l'impact de la stratonomie sur l'arrêt des fractures, les impédances d'interface ont été comparées aux contrastes de propriétés des bancs (compétence, épaisseur, élasticité, porosité, perméabilité et proportion de carbonate). Ces données ont été obtenues lors de relevés stratigraphiques sur des affleurements carbonatés à Berat (Albanie) et Cuers (sud-est de la France). Les résultats des impédances ont aussi été comparés aux perméabilités verticales des fractures dans les bancs. Deux études de cas avec des contrastes mécaniques forts et faibles ont été analysées.
Les résultats sont les suivants :
1. L'outil FracAbut quantifie efficacement les relations d'arrêt (ou non) des fractures, fournissant des informations sur la transmissivité et la persistance verticale des fractures.
2. Les méthodes et outils statistiques (test de Kruskal-Wallis, information mutuelle, FracDens) révèlent que les contrastes de compétence des bancs ont un impact clair sur l'arrêt (ou non) des fractures. Les fractures se propageant des bancs incompétentes vers les bancs compétentes s'arrêtent, conformément aux observations de terrain. Dans d'autres cas, l'arrêt des fractures est similaire, quelle que soit la polarité de la propagation. Cependant, aucune corrélation ou dépendance n'a pu être mesurée entre l'arrêt des fractures sur les interfaces et le contraste des propriétés des bancs. Ces derniers résultats peuvent être liés au fait que les interfaces peuvent se former en raison de changements très localisés de propriétés qui ne peuvent pas être discernés par une analyse globale des bancs.
3. Les impédances d'interface calculées par FracAbut peuvent être utilisées pour mieux contraindre la persistance des fractures à travers les interfaces dans les modèles DFN, en particulier pour les roches stratifiées présentant un fort contraste mécanique.
Cette thèse fait progresser la compréhension de l'influence de la stratonomie et de la stratigraphie mécanique sur la géométrie des fractures dans les roches carbonatées. Les méthodologies et outils développés fournissent une compréhension robuste des réseaux de fractures et de leurs persistances verticales, contribuant à l'optimisation de l'extraction des ressources souterraines et à la réduction des impacts environnementaux.
Thesis resume
Fractures and faults significantly influence fluid flow in subsurface environments, impacting resource extraction and environmental management associated to human activities. This thesis investigates the interplay between stratonomy (the stratigraphic arrangement of rock properties) and mechanical stratigraphy on the geometry of diffuse fractures in carbonate rocks. Understanding these relationships is crucial for optimizing resource extraction and mitigating environmental risks.
This thesis used a combination of field studies, laboratory analyses, and numerical modelling to: i) analyse the impact of property contrast on fracture abutment and ii) derive parameters to better constrain fracture vertical geometry in DFN models. A Python-based tool called FracAbut was developed to quantify the geometric relationship between fractures and stratigraphic interfaces using 1D and 2D data. This method computes the interface impedance which is the ability of the interface stop or be crossed by fractures. Depending on fracture propagation polarity in regard to the interface, the FracAbut method computes interface impedances above (IIA) and below (IIB), respectively, for downward and upward propagating fractures. interface impedances (IIA and IIB) used in this thesis were obtained from 2D survey (interface and fracture trace digitization).
To analyse the impact of stratonomy on fracture abutment (or not), interface impedances were compared to bed property contrast. The following properties were considered: competency, thickness, elasticity, porosity, permeability and carbonate proportion. Properties data were obtained from stratigraphic surveys conducted in carbonate outcrops in Berat (Albania) and Cuers (SE France). Interface impedances results were also compared bed normal fracture permeabilities to analyse their potential relation. Bed normal fracture permeabilities were computed based on Discrete Fracture Network (DFN) models. The DFN were built using the digitized interface and fracture traces. Two real case studies showcasing beds with i) strong and ii) weak mechanical contrasts were used in this section.
Results from these studies are presented as follows:
1. The FracAbut tool effectively quantifies fracture abutment and crosscutting relationships, providing insights into fracture transmissivity and vertical persistence.
2. Statistical methods and tools (Kruskal-Wallis test, mutual information, FracDens) reveal that bed competency contrasts have a clear impact on fracture abutment (or not). Fracture propagating from incompetent to competent beds abut, in accordance with field observation. In other cases, fracture abutment is about similar regardless of fracture propagation polarity. However, no correlation nor dependency could be measured between fracture abutment at interfaces and property contrasts between the beds. These results are to be expected as interfaces can form because of highly localised change in properties which can not be discerned with bulk analysis on beds.
3. FracAbut interface impedances can be used to better constrain fracture persistence through interfaces DFN models. This particularly the case for stratified rocks with strong mechanical contrast.
This thesis advances the understanding of how stratonomy and mechanical stratigraphy influence fracture geometry in carbonate rocks. The developed methodologies and tools provide a robust insights on fracture patterns and persistence, aiding in optimizing subsurface resource extraction and mitigating environmental impacts.