Modélisation géomécanique des réservoirs : méthodologies de mise en œuvre et d'analyse des incertitudes, Uncertainty Analysis in Geomechanical Modelling of Petroleum Reservoirs

Tianmeng Hu

Description

Sous la direction de Jean-Jacques Royer
Thèse soutenue le 06 novembre 2008: INPL
L’objectif de ce travail est double : d’une part, il s’agit de développer une méthodologie intégrée pour la construction d’un modèle géomécanique ainsi que la représentation des incertitudes associées aux propriétés poro-élastiques des roches constitutives, en exploitant l’ensemble des données disponibles et en s’appuyant de façon cohérente sur les modèles de réservoir statique et dynamique classiquement utilisés par les géologues et les ingénieurs réservoir ; d’autre part, il s’agit d’analyser quel est l’impact des hétérogénéités géologiques, souvent négligées, dans la réponse mécanique du réservoir sollicité par son exploitation, et d’aboutir à des incertitudes sur les champs de contraintes et de déplacements, issues des incertitudes sur ces hétérogénéités et leurs paramètres mécaniques. Pour ce faire, une méthodologie intégrée s’appuyant sur des simulations géostatistiques a été développée. Après la construction du cadre géométrique 3D, le remplissage des propriétés au sein du réservoir suit une démarche de simulations géostatistiques 3D emboîtées, dans laquelle la représentation des hétérogénéités lithologiques conditionne la génération des propriétés poro-élastiques. La démarche consiste ensuite à représenter les incertitudes sur le modèle géomécanique par des ensembles de réalisations géostatistiques dont la réponse mécanique est alors calculée avec un simulateur mécanique aux éléments finis. Les incertitudes sur les champs de contraintes et de déformations sont déduites ensuite des différentes réponses mécaniques obtenues. La démarche a été mise en œuvre sur un réservoir réel, dans un environnement fluvio-deltaïque, produisant en Mer du Nord. Dans ce cadre, il a été démontré que les hétérogénéités du réservoir et leurs incertitudes influencent significativement les calculs des champs de contraintes et de déformations, ainsi que les risques mécaniques de rupture. Des incertitudes sur les quantités mécaniques analysées (premier invariant du tenseur des contraintes et subsidence) ont été aussi estimées
-Géomécanique
-Abaqus
-Gocad
-Subsidence
-Hétérogénéités
-Contraintes
-Paramètres poro-élastiques
-Réservoir
-Incertitudes
-Simulation géostatistique
This work has two main objectives. The first one is to develop an integrated methodology allowing to build a 3D geomechanical model and also to image the uncertainties attached to the poro-mechanical properties of the constitutive rocks. This geomechanical model should be based on all related available data and should be consistent with the static and dynamic models, currently built by reservoir geologists and engineers. The second objective is to analyse the impact of geological heterogeneities, which are often neglected, in the mechanical response of the reservoir induced by its exploitation, and furthermore to derive uncertainties on the stress and deformation fields related to the uncertainties on the input properties of the geomechanical model. An integrated methodology based on geostatistical simulations is developed. First, the geometric frame is built; then an approach of embedded stochastic simulations is carried out to infill the different reservoir properties, the lithological description constraining the petrophysical and poro-elastic descriptions. The next step is to generate the mechanical responses of the stochastic realisations, using a finite-element mechanical simulator. The uncertainties on the resulting stress and displacement fields are then deduced from the multiple mechanical responses which are computed. This approach is demonstrated on a real field case, a fluvio-deltaic reservoir in North Sea. It is shown on this example that the reservoir heterogeneities and their uncertainties significantly influence the calculations of stress and strain fields, and also the risks of mechanical failure. Uncertainties on the mechanical quantities under analysis (first invariant of the stress tensor and subsidence) are also derived
-Geomechanics
-Subsidence
-Gocad
-Geostatistical simulation
-Reservoir
-Uncertainties
-Poro-elastic parameters
-Heterogeneities
-Stresses
-Abaqus
Source: http://www.theses.fr/2008INPL059N/document

Sujets

• ABAQUS
• Réservoir

Informations

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• Nombre de lectures: 252
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques
École Doctorale RP2E

THÈSE

Présentée à l'Institut Français du Pétrole
pour obtenir le grade de


Docteur de l'Institut National Polytechnique de Lorraine

Discipline : Géosciences

par

Tianmeng HU


Sujet de la thèse :

MODÉLISATION GÉOMÉCANIQUE DES
RÉSERVOIRS : MÉTHODOLOGIES DE MISE EN
OEUVRE ET D'ANALYSE DES INCERTITUDES



Soutenue le 6 novembre 2008 devant le jury composé de :


J.P. CHILES École des Mines de Paris Rapporteur
M. BOULON INPG Rapporteur
V. MERRIEN-SOUKATCHOFF École des Mines de Nancy Examinateur
B. SUDRET Phiméca Engineering Examinateur
F. FOURNIER IFP Examinateur
L. JEANNIN GdF-Suez Invité
J.J. ROYER CRPG-ENSG Directeur 2













A ma famille



Je dédie ce mémoire.





3 4 REMERCIEMENTS


Les travaux présentés dans ce mémoire se sont déroulés à l’Institut Français du Pétrole (IFP).
Ils s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre la division Mécanique Appliquée et le
Laboratoire Informatique et Analyse des Données (LIAD) de l’Institut National
Polytechnique de Lorraine (INPL). Je remercie en premier lieu ces organismes.

Je remercie tout particulièrement Monsieur Jean-Jacques Royer, Ingénieur de recherche de
première classe CNRS, co-Directeur du Consortium Gocad, pour avoir accepté de prendre en
charge la responsabilité universitaire de ce travail.

Je tiens à adresser mes plus chaleureux remerciements à Madame Frédérique Fournier, Chef
du département Géomécanique et Professeur IFP. Tout au long de ces trois années, elle a su
orienter mes recherches aux bons moments. Elle a toujours été disponible pour d’intenses et
rationnelles discussions et ses conseils pertinents m’ont été d’une aide précieuse pendant cette
période.

Je remercie sincèrement Monsieur Jean-Paul Chilès, Directeur de recherche à l’École des
Mines de Paris, du Centre de Géosciences, ainsi que Monsieur Marc Boulon, Professeur
émérite de l’Université Joseph Fourier, du Laboratoire Sols, Solides, Structure – Risques, qui
ont accepté de juger ce travail et d’en être les rapporteurs. Monsieur Marc Boulon m’a
particulièrement aidé dans l’interprétation des résultats mécaniques que j’ai obtenus sur le
modèle 3D du « champ A », en réalisant, pour comparaison, des simulations 2D
axisymétriques d’un modèle simplifié équivalent, lesquelles ont permis de confirmer un
certain nombre de phénomènes mécaniques observés sur le modèle 3D.

Mes vifs remerciements à Madame Véronique Merrien-Soukatchoff, Professeur à l’École des
Mines de Nancy, du Laboratoire Environnement Géomécanique et Ouvrages, pour avoir
accepté de participer au jury de cette thèse et pour son aide patiente pendant mes études
d’Ingénieur Civil des Mines de Nancy.

Je souhaite également remercier Monsieur Bruno Sudret, Directeur de la Recherche et de la
Stratégie de Phiméca Engineering, pour sa participation à ce jury et l’apport de son expertise
dans le domaine de l’analyse de risques pour la mécanique.

Monsieur Laurent Jeannin, Ingénieur de recherche à GdF-Suez, a accepté d’examiner ce
travail. Je le remercie vivement pour l’intérêt qu’il y accorde ainsi que pour les conseils qu’il
m’a donnés dans le domaine du couplage réservoir – géomécanique.

Je souhaite également exprimer ma gratitude à Monsieur Éric Heintzé, Directeur de la
Division Mécanique Appliquée ainsi que Monsieur Laurent Cangémi, Chef du département
Mécanique des Solides, pour m’avoir accueilli au sein de leurs équipes.

Je tiens à remercier Madame Brigitte Doligez, Chef du département de Stratigraphie-
Sédimentologie, pour m’avoir transféré les données géologiques du champ A.

Caroline Joseph, Ingénieur de recherche du département de Géophysique m’a fait bénéficier
de son expérience en géostatistique. Je l’en remercie vivement.
5
Mes remerciements vont également à Messieurs Philippe Joseph et Sylvain Boyer,
Professeurs à l’École du Pétrole et des Moteurs, pour m’avoir expliqué de façon détaillée les
données diagraphiques et sédimentologiques du champ étudié.

Merci également à Monsieur Gilles Ferrer, Ingénieur de recherche du département Mécanique
des Solides pour ses codes de Python magnifiques permettant le transfert Gocad vers Abaqus.

J’adresse mes remerciements sincères à Monsieur Guillaume Servant, Ingénieur de recherche
du département Modélisation des écoulements et transferts en milieu poreux et Mesdames
Florence Adjémian et Axelle Baroni, Ingénieurs de recherche du département Mécanique des
Solides, qui m’ont permis de profiter de leurs connaissances dans les domaines des éléments
finis et de la géomécanique.

Je tiens à remercier, pour la sympathie qu’elles m’ont témoignée, Mesdames Elisabeth Mura
et Évelyne Bertocchini.

Toute mon amitié à Monsieur Jacques Kouakou avec qui j’ai partagé le bureau, et avec qui
j’ai eu tant de discussions fructueuses.

Merci aussi à tous mes collègues et amis à l’IFP qui se reconnaîtront ici. Je leur exprime ma
profonde sympathie et leur souhaite beaucoup de bien.

Je souhaite enfin exprimer mes plus vifs remerciements à mes parents qui ont toujours su me
soutenir et m’encourager au cours de ces trois ans.
6 Table des matières


LISTE DES FIGURES ................................................................................................ 9

LISTE DES TABLEAUX........................................................................................... 13

INTRODUCTION GENERALE ................................................................................. 15

CHAPITRE I : RAPPEL SUR LA MODELISATION DES MILIEUX POREUX......... 19
I.1 RAPPELS SUR LA THEORIE DE L'ELASTICITE................................................................................. 20
I.1.1 Contraintes.......................................................................................................................................... 20
I.1.2 Déplacements - Déformations ............................................................................................................. 24
I.1.3 Loi de comportement........................................................................................................................... 25
I.1.4 Critères de rupture.............................................................................................................................. 26
I.2 MODELES DE RESERVOIR : APPROCHES RESERVOIR ET GEOMECANIQUE..................................... 27
I.2.1 Approche réservoir : écoulements dans un gisement .......................................................................... 28
I.2.1 Approche géomécanique ..................