Numerical study on fractured porous rocks at microscopic scale based on the Lattice Boltzmann Method and Pore Network Model

Le principal objectif de cette thèse est d'approfondir l'étude des caractéristiques d'écoul-ement microscopique des eaux souterraines dans les milieux poreux. Elle inclut le comportement d'écoulement des fluides dans les roches poreuses ou fracturées-poreuses. Cette étude est menée à l'échelle microscopique.Tout d'abord, en se basant sur les propriétés physiques du grès, la porosité du modèle est fixée à 20%, et une valeur seuil correspondante de 0.8416 est obtenue selon la fonction de répartition cumulative (CDF). Un champ aléatoire est ensuite généré, et l'ensemble d'excursion est identifié en utilisant ce seuil. Trois modèles de milieux poreux avec différentes graines sont construits. Afin de valider la représentativité des modèles générés, des volumes élémentaires représentatifs (REVs) de dimensions 1 mm × 1 mm × 1 mm sont sélectionnés. La validité de ces REVs est vérifiée par l'analyse de la distribution de la taille des pores (PSD), montrant une forte concordance entre les modèles complets et les sous-modèles sélectionnés. De plus, les REVs sont évalués en fonction de la porosité et de la perméabilité, en se référant aux données de la littérature sur les caractéristiques du grès.Deuxièmement, des modèles de milieux poreux à haute résolution sont générés, puis simplifiés en modèles avec le même champ aléatoire mais des résolutions différentes. Deux méthodes numériques microscopiques, le modèle de Boltzmann sur réseau (LBM) et le modèle de réseau poreux (PNM), sont comparées à l'échelle microscopique. Une analyse comparative des caractéristiques des deux méthodes pour la modélisation des écoulements à l'échelle microscopique est réalisée. La comparaison porte principalement sur trois aspects : la perméabilité, la distribution de la pression et la distribution des vitesse. Les résultats montrent qu'avec la diminution de la taille des maillages, la perméabilité du LBM diminue, tandis que celle du PNM augmente. De plus, à mesure que la taille des maillages diminue, les distributions de pression et de débit deviennent plus similaires.Enfin, le comportement d'écoulement au sein de la roche poreuse fracturée est étudié à l'aide de la méthode de Lattice Boltzmann (LBM). Les effets de l'interaction entre les fractures et le milieu poreux, de l'ouverture des fractures et de leur rugosité sont analysés. L'écart de perméabilité entre les modèles de milieux poreux fracturés et les modèles à fracture unique est supérieur à la perméabilité des milieux poreux seuls, ce qui indique que l'interaction entre les fractures et le milieu poreux ne constitue pas une simple superposition de leurs contributions. Les fractures jouent un rôle facilitateur dans l'écoulement du milieu poreux. Lorsqu'un milieu poreux est introduit dans une fracture, on peut, en réduisant l'ouverture de la fracture, identifier une valeur spécifique à laquelle la perméabilité de la fracture est égale à la différence de perméabilité. C'est le point auquel la fracture peut être considérée comme hydrauliquement équivalente au milieu poreux, remplaçant efficacement sa capacité d'écoulement. La rugosité des fractures a un effet réducteur sur la perméabilité, tant pour les modèles de fracture que pour les modèles fracture-milieu poreux. Plus la rugosité est grande, plus les canaux d'écoulement à haute vitesse deviennent étroits.