La fracturation, une technique sous pression
Contrairement à une croyance largement répandue, la fracturation hydraulique n'est pas un procédé de forage. Elle intervient après le forage d'un puits, et consiste à injecter de grandes quantités de fluides sous haute pression. Elle crée des fractures dans les roches réservoirs, ouvrant davantage de voies pour augmenter l'extraction des hydrocarbures. La fracturation hydraulique remonte aux années 1930, mais elle n'est devenue courante qu'au cours des vingt dernières années. Le processus est très controversé, ses détracteurs estimant qu'elle constitue un danger pour l'environnement, alors que ses défenseurs mettent en avant ses avantages économiques. Il n'est donc pas surprenant que cette technique ait suscité un grand nombre de recherches, dans lesquelles la modélisation mathématique du processus physique sous-jacent a un rôle prépondérant. Les résultats ont montré qu'il fallait trouver des simulations plus exactes de la relation entre la propagation de la fracture et l'écoulement du fluide. Par ailleurs, l'impact fondamental de ces recherches va bien au-delà du procédé de fracturation. Le phénomène étudié a également été utilisé dans d'autres procédés (comme la séquestration du CO2) et il a été observé dans la nature (intrusions magmatiques dans la croûte terrestre, drainage sous-glaciaire de l'eau). Le projet HYDROFRAC (Enhancing hydraulic fracturing on the basis of numerical simulation of coupled geomechanical, hydrodynamic and microseismic processes) s'est attaqué au problème. Durant ses quatre années, les chercheurs ont développé des modèles mathématiques de processus géomécaniques, hydrodynamiques et microsismiques, afin d'améliorer la conception des activités de fracturation hydraulique. Le projet a débouché sur de nouveaux résultats fondamentaux touchant aux propriétés de base des modèles mathématiques respectifs, ce qui a permis de développer des algorithmes informatiques extrêmement efficaces, souples et exacts. Les performances des simulateurs 1D et 2D correspondants ont été vérifiées en utilisant des tests spécifiques, et elles ont été comparées avec les données de la littérature. Dans un cadre général, la propagation des fractures a été retracée en utilisant des modèles 3D d'éléments aux frontières dans milieux poroélastiques, combinés à des modèles de différence finie pour les écoulements de fluides non newtoniens. Les chercheurs d'HYDROFRAC ont appliqué de nouvelles méthodes pour résoudre les équations intégrales de frontière. Entre autres, une méthode multipolaire rapide a permis d'accélérer les calculs et d'améliorer l'exactitude. Les chercheurs ont d'autre part développé un programme informatique dédié pour simuler des évènements microsismiques entraînés par des modifications des contraintes locales. Ils ont simulé la microsismicité en introduisant des anomalies initiales avec les paramètres de la distribution statistique prédéfinie. Les données collectées à partir d'évènements simulés ont été soigneusement analysées pour estimer la solidité et la stabilité dans le temps des anomalies. Tous les programmes ont été adaptés pour correspondre à des besoins pratiques, en collaboration étroite avec le partenaire industriel du projet. En particulier, la microsismicité simulée a été comparée à celle qu'on observe durant la fracturation hydraulique, afin de calibrer les paramètres d'entrée et d'améliorer les résultats de la modélisation. Les paramètres du modèle ont également été soigneusement ajustés par rapport au débit prévu de pétrole ou de gaz, en fonction de ce qui a été observé sur le terrain. Les connaissances acquises dans le cadre d'HYDROFRAC ont été partagées avec les scientifiques grâce à des publications dans des revues à comité de lecture et en libre accès, ainsi que par des présentations effectuées dans le cadre de conférences internationales.
Mots‑clés
Modèles mathématiques, fracturation hydraulique, hydrocarbures, HYDROFRAC, fluide non-newtonien, microsismicité
