GEO ExPro – Fracture, fracture partout – Partie I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Fracture, fracture partout – Partie I

Ensembles de joints bien développés sur des dalles à la chapelle St. Mary, Caithness, Écosse. (Source : Mike Norton)

Partie I

Le terme « fracture » comprend toute rupture ou discontinuité structurelle dans les roches dans laquelle deux surfaces de fracture de la roche (généralement planes) sont séparées par une fente étroite, bien plus courte que la longueur ou la hauteur de la fracture. La fracturation se produit en raison de la perte de cohésion de la roche et est une expression typique de la déformation cassante de la croûte supérieure de la Terre (par opposition aux structures d’écoulement et de pliage qui se produisent à des profondeurs crustales dans des conditions ductiles).

Grimpeur utilisant des fractures naturelles dans le granit de Cornouailles comme prises pour les mains et les pieds. (Source : Jane Whaley)Les fractures sont les caractéristiques structurelles les plus courantes que l’on trouve dans tous les types de roches (ignées, sédimentaires et métamorphiques) et dans tous les contextes plate-tectoniques, des rifts continentaux et des dorsales médio-océaniques aux fosses de subduction et aux collisions continentales. La connaissance des fractures est importante à des fins scientifiques, technologiques et économiques. Les fractures sont des éléments essentiels des processus géologiques qui forment les ceintures montagneuses, les bassins sédimentaires, les côtes, les fonds océaniques, les séismes, etc. Les fractures fournissent également des voies de fluides pour le mouvement des eaux souterraines, du pétrole et du gaz, des dépôts de minerai et du magma.
Les enquêtes scientifiques sur les fractures remontent au XIXe siècle et ont connu une croissance rapide au cours des dernières décennies. Ces recherches comprennent l’observation des roches et la cartographie structurale aux niveaux micro et macro, les travaux expérimentaux et analogiques, l’analyse géométrique et géomécanique, ainsi que la modélisation et la simulation numériques.
Dans les opérations sur le terrain pétrolier, nous faisons souvent la distinction entre les fractures naturelles (qui se produisent naturellement) et celles d’origine forée et hydraulique (induites par l’injection de fluide pour fracturer les roches). Même si les fractures naturelles sont présentes dans toutes les roches, elles ne sont pas toutes identiques et le simple terme de « fractures naturelles » ne rend pas justice à leur complexité. La caractérisation des fractures sur la base de principes et de données scientifiques est donc cruciale pour leur utilisation dans l’exploration et la production des ressources.

Les fractures se présentent sous diverses formes

Divers types de fractures sur une structure de faille normale conjuguée. Modifié à partir de Haakon Fossen, Structural Geology (2010).La fracturation se produit à diverses échelles, du minéral à la plaque tectonique, et est générée sous de nombreuses formes par un certain nombre de processus distincts. La fracture est un terme collectif pour une variété de ruptures dans les roches.
À l’échelle d’un grain minéral, la fracture est une rupture du cristal le long de surfaces inégales ou incurvées ; elle nécessite une force externe appliquée au cristal. (La fracture est différente du clivage du cristal, la tendance du cristal minéral à se fendre le long d’un ou plusieurs plans lisses, qui est liée à l’arrangement de la liaison chimique dans le réseau minéral). Sur une coupe mince de spécimen de roche, on peut observer des micro-fractures qui peuvent être intragranulaires (limitées à des grains individuels) ou intergranulaires (coupant plusieurs grains).
Dans les affleurements de roches sédimentaires, les plans de litage et les joints sont probablement les fractures de roche les plus accrocheuses. Les plans de litage séparent les couches de roches sédimentaires successives en raison de changements dans la lithologie ou d’autres propriétés sédimentaires. Le terme « joint » a d’abord été utilisé par les mineurs qui pensaient que les roches étaient « jointes » le long de ces plans, comme des blocs de construction. Les joints ne présentent pas de cisaillement visible mais sont des fractures de dilatation (ouverture) ou d’extension formées par une contrainte de traction. Les autres types de fractures d’extension comprennent les fissures (larges ouvertures remplies d’air, d’eau ou d’autres fluides), les veines (remplies de minéraux) et les dykes (fractures verticales et larges remplies de roche plutonique ou volcanique).
Les fractures cisaillées, en revanche, montrent un mouvement relatif (glissement) de deux parois de fracture parallèles au plan de fracture (surface de glissement). Les fractures cisaillées ont généralement des déplacements d’une échelle millimétrique à centimétrique, tandis que les failles ont des déplacements plus importants. Les failles présentent souvent des surfaces polies ou striées (appelées slickensides) qui résultent du glissement par friction des parois de la faille. Les géologues peuvent utiliser les slickenlines (rainures sur la surface de la faille) pour déterminer la direction de la faille.

Classification géométrique des fractures en fractures longitudinales, transversales (croisées), conjuguées, diagonales (obliques) et orthogonales développées sur une structure de pli. Ces concepts basés sur le terrain ont été formulés par des géologues dans la première moitié du 20e siècle. Modifié à partir de Singhal et Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). Dans les industries du pétrole et des eaux souterraines, le terme « fracture » fait souvent référence aux joints à l’échelle du réservoir et à d’autres fractures ouvertes et d’extension qui ont des implications positives pour l’écoulement des fluides de subsurface. Dans ce sens limité, les grandes failles, par exemple, sont considérées comme une caractéristique différente. Ainsi, nous entendons souvent parler de « fractures et de failles » dans les roches réservoirs, ce qui revient à dire qu’il y a « des animaux et des chiens dans notre ferme ». Les failles représentent en effet un type important de fracturation et sont génétiquement associées à de nombreux autres types de fractures. (Pour les différents types de failles, voir l’article en deux parties  » Know Your Faults « , GEO ExPro, Vol. 9, n° 5 et n° 6).
Certains types particuliers de fractures sont également à noter ici. Les fissures de boue (fractures de dessiccation) sont des polygones de fractures d’extension qui se développent dans les sédiments très riches en argile en raison du retrait et de la perte d’eau. Les taquets sont des fractures naturelles, en mode ouvert, dans des couches de charbon remplies de gaz naturel ou d’eau. Les bandes de déformation sont des éléments planaires d’une largeur de quelques millimètres dans les grès à forte porosité qui présentent peu de décalage mais sont caractérisées par des roches à faible porosité et faible perméabilité mais elles ne sont pas toutes identiques en raison de l’écoulement des grains minéraux, de la fracturation ou de la cimentation ; elles se regroupent autour des failles.
Certaines fractures forment des éléments spectaculaires sur les images satellites ; elles sont également importantes pour les mouvements de fluides à l’échelle de la croûte terrestre. Les linéaments sont des lignes physiographiques d’étendue régionale qui indiquent la déformation des roches par des failles ou des plissements importants. Les zones de fracture du plancher océanique s’étendent au-delà des dorsales médio-océaniques jusqu’aux marges continentales.

Caractérisation des fractures

Une caractérisation complète des fractures implique la cartographie, la mesure et la documentation d’un certain nombre de paramètres dont les suivants :
1. Type de fracture et son remplissage (si ouvert ou rempli).
2. association de la fracture avec une lithologie particulière, une structure (faille, pli ou absence de structure), l’histoire de la déformation (âge) et le champ de contrainte actuel (in situ).
3. les fractures systématiques de la roche se développent souvent en un ou plusieurs ensembles de fractures. Il est important de cartographier et de quantifier ces ensembles de fractures et de déterminer leurs âges relatifs.
4. l’attitude des fractures comprend la grève (par rapport au Nord) et l’angle de pendage (de 0° horizontal à 90° vertical) et la direction (la direction du pendage est toujours perpendiculaire à la direction de la grève). Ces données peuvent être affichées sur des graphiques stéréographiques à surface égale. Les tendances de la grève des fractures peuvent également être tracées sur un diagramme en rose ou un histogramme.
5. La longueur des fractures indique la persistance latérale de la structure. Les longueurs de trace de <1m sont des persistances très faibles, tandis que celles de >20m sont des fractures à très haute persistance.

6. L’espacement des fractures et sa relation avec l’épaisseur du lit ou la position structurale (liée à la faille, liée au pli, ou aucune) sont des données cruciales. Aux affleurements, l’espacement des fractures peut être mesuré par un ruban le long d’une ligne de balayage. Les observations montrent que les couches très rigides ont plus de joints que les couches très faibles ; et pour une lithologie donnée, les lits plus minces ont des joints très rapprochés. La Société internationale de mécanique des roches (ISRM) a recommandé l’échelle suivante pour classer l’espacement des fractures : espacement extrêmement proche (<0,02m), espacement très proche (0,02-0,06m), espacement proche (0,06-0,2m), espacement modéré (0,2-0,6m), espacement large (0,6-2,0m), espacement très large (2,0-6,0m) et espacement extrêmement large (>6,0m). La fréquence des fractures est définie comme le nombre de fractures par mètre de longueur. Elle est donc l’inverse de l’espacement des fractures. La fréquence des fractures est égale à 1/espacement des fractures.
7. population : L’occurrence des fractures peut être quantifiée en 1D (fréquence des fractures pour une longueur donnée), en 2D (intensité des fractures pour une surface donnée) et en 3D (densité des fractures pour un volume donné).
8) L’ouverture est la distance perpendiculaire entre les parois rocheuses adjacentes (surfaces de fracture) d’une fracture. Elle peut être ouverte (contenant de l’air, de l’eau ou un autre fluide) ou fermée (remplie par une roche de faille ou un autre matériau injecté). L’ouverture peut être étroite (<0,25 mm) pour les fractures fermées ou large (>10 mm) pour les fractures ouvertes. L’ouverture diminue sur la longueur d’une fracture en direction du front de la fracture. L’ouverture peut également changer le long de la hauteur d’une fracture en raison des aspérités (voir ci-dessous). On utilise souvent les termes d’ouvertures « équivalente », « hydraulique » et « mécanique » en fonction des méthodes et du but de leur estimation.
9. Les parois des fractures n’ont pas de surfaces parallèles parfaites et lisses, mais contiennent des rugosités et des irrégularités appelées aspérités, qui réduisent la perméabilité des fractures. Une certaine connaissance des aspérités peut donc aider à mieux modéliser l’écoulement des fluides à travers la fracture.

Anatomie des fractures rocheuses. (Source : Rasoul Sorkhabi)10. La rigidité de la fracture (mesurée en Pascal/mm) décrit la contrainte-déformation de la fracture par rapport à la contrainte normale (rigidité normale ou résistance à la fermeture) et à la contrainte de cisaillement (rigidité de cisaillement ou résistance au déplacement en cisaillement). Les données sur la rigidité des fractures sont les plus difficiles à obtenir car elles impliquent des expériences géomécaniques en laboratoire ou in situ sur des roches fracturées.
11. Connectivité des fractures : l’intersection des fractures naturelles fournit un réseau de perméabilité pour les fluides, alors que les fractures déconnectées et isolées ne sont pas hydrauliquement efficaces. La chance de connectivité des fractures augmente avec une plus grande population et des longueurs de fractures dans un volume de roche donné.
12. Propriétés pétrophysiques des fractures, y compris la porosité et la perméabilité.

Réservoirs fracturés

Toutes les roches réservoirs sont fracturées à un certain degré et généralement par plus d’un processus. Néanmoins, le terme « réservoir fracturé » désigne un réservoir étanche (perméabilité matricielle < 0,1 mD) dans lequel les fractures naturelles jouent un rôle de perméabilité important pour l’écoulement des fluides (eau, pétrole ou gaz naturel). Dans ces réservoirs, la cartographie et la caractérisation des fractures dans un modèle géologique 3D et la quantification des propriétés pétrophysiques des fractures sont donc d’une importance capitale pour le forage et la production.
Dans son ouvrage Geologic Analysis of Fractured Reservoirs, Ronald Nelson a décrit une classification des réservoirs basée sur la porosité et la perméabilité de la matrice rocheuse et des fractures. On distingue ainsi quatre types :

Classification des réservoirs basée sur les propriétés pétrophysiques des fractures de la roche. Modifié à partir de Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- Dans les réservoirs de type I, les fractures fournissent la porosité et la perméabilité essentielles (par exemple, le champ Amal, en Libye ; les champs Ellenburger, au Texas). Ces réservoirs ont des courbes de déclin élevées par puits.
– Dans les réservoirs de type II, les fractures fournissent la perméabilité essentielle (par exemple, champ Agha Jari, Iran ; Rangely, Colorado).
– Dans les réservoirs de type III, les fractures contribuent à la perméabilité d’un réservoir déjà productible (par exemple Kirkuk, Irak ; Cottonwood Creek, Wyoming).
– Dans les réservoirs de type IV, les fractures agissent en fait comme des barrières à fluide (par exemple Beaver Creek, Wyoming ; Houghton, Kansas). Ces réservoirs sont structurellement compartimentés.
Les fractures de subsurface constituent toujours un défi pour l’exploration et la production. Dans les industries pétrolières, géothermiques et des eaux souterraines, une grande variété de matériaux, d’outils et de techniques sont donc utilisés pour identifier, cartographier et caractériser les fractures. Il s’agit notamment de la tectonique des bassins, des analogues d’affleurement, des carottes, des diagraphies d’imagerie de forage, des sections sismiques, des données sur les contraintes in situ, des tests d’écoulement des puits, des expériences géomécaniques, etc.

.