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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 2410 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École Doctorale : Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Spécialité : Sciences de la Terre et Environnement par Carine FAMY Sujet de la thèse : LES TERMES D'ÉCHANGE ENTRE BLOCS ET FRACTURES DANS LES SIMULATEURS DE RÉSERVOIRS FRACTURÉS Soutenue le 30 novembre 2006 devant le jury composé de : MM. Rachid ABABOU Président Michel QUINTARD Directeur de thèse Mme Azita AHMADI-SENICHAULT Rapporteur MM. Fred DELAY Rapporteur Pierre FABRIE Rapporteur Bernard BOURBIAUX Membre

  • simulateurs de réservoirs

  • département simulation des écoulements

  • homogénéisation partielle

  • modèle mixte

  • science de l'univers, de l'environnement et de l'espace spécialité

  • description du modèle mixte


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 novembre 2006
Nombre de lectures 71
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

Exrait

N° d'ordre : 2410
THÈSE
présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École Doctorale:Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Spécialité:Sciences de la Terre et Environnement par
Carine FAMY
Sujet de la thèse :
LES TERMES D'ÉCHANGE ENTRE BLOCS ET FRACTURES DANS LES SIMULATEURS DE RÉSERVOIRS FRACTURÉS
Soutenue le 30 novembre 2006 devant le jury composé de :
MM. Rachid ABABOU Michel QUINTARD Mme Azita AHMADI-SENICHAULT MM. Fred DELAY Pierre FABRIE Bernard BOURBIAUX
Président Directeur de thèse Rapporteur Rapporteur Rapporteur Membre
Remerciements
Cette thèse a été réalisée dans les locaux de l’IFP à Rueil-Malmaison, au sein de la Direc-tion Ingénierie de Réservoir, dans le Département Simulation des écoulements et Transferts en milieux poreux, et en collaboration avec l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) et l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT).
Mes premiers remerciements, ainsi que toute ma reconnaissance, vont à M. Bernard Bour-biaux (IFP) et M. Michel Quintard (IMFT), pour leur encadrement efficace et les excellents conseils dont ils m’ont fait profiter durant ces trois ans, bien sûr, mais aussi et surtout pour leur gentillesse, leur patience et leurs qualités personnelles. Je remercie aussi M. Vincent Ri-chard et M. Patrick Lemonnier, qui m’ont accueilli à l’IFP, et ont cru en l’intérêt de mon travail et en mes capacités.
Mes remerciements sincères vont aussi à Mme Azita Ahmadi-Sénichault et MM. Fred Delay et Pierre Fabrie, qui ont longuement relu ce manuscrit, ainsi qu’à M. Rachid Ababou, qui a eu l’amabilité de présider le jury de soutenance. Leurs commentaires avisés et critiques constructives m’ont permis de finaliser mon travail.
Ces années de travail intensif auraient été bien plus difficiles sans le soutien et l’amitié de mes collègues. Mes amitiés vont donc à toute l’équipe "fracturé", pour leur bonne humeur, et l’entente cordiale qui règne dans nos bureaux, en particulier à Caroline Choquet et Rémy Basquet, ainsi qu’aux stagiaires qui ont partagé un temps cette ambiance amicale.
Que les autres personnes que j’ai eu la chance de rencontrer à l’IFP ne se sentent pas oubliées, avec une pensée particulière pour les thésards de la Direction, ainsi que pour Isa-belle Zabalza-Mezghani. Leur amitié et soutien m’ont été précieux, particulièrement dans les moments difficiles.
Plus personnellement, je tiens à remercier mes amis "bordelais", pour les soirées, fous rires et blagues en tout genre, et surtout pour leur amitié sans faille depuis notre rencontre.
Enfin, j’ai une tendre pensée pour ma famille. Qu’ils soient remerciés de leurs encourage-ments et de leur affection au long de ces années.
3
à Alexandre.
Table
des
Remerciements
Nomenclature
Introduction
1
2
matières
Simulation des écoulements dans les réservoirs fracturés 1.1 Simulation à grande échelle dans les réservoirs fracturés . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Caractéristiques des réservoirs fracturés étudiés . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Echelles d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Description locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Homogénéisation dans les deux milieux : exemple . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Modèles double-porosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Différentes méthodes de la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Calcul du terme d’échange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Homogénéisation partielle : modèle mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Hypothèses et limites de validité de l’homogénéisation . . . . . . . . . 1.3.2 Solutions du problème mathématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Cas des écoulements multiphasiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Mise en œuvre du modèle mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Bloc matriciel unique représentatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Utilisation du modèle de Warren et Root . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
9
11
15 15 15 16 17 18 19 19 20 21 21 23 24 27 27 28 29
Mise en uvre d’un modèle mixte 31 2.1 Lois d’écoulement à l’échelle locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.1 Lois de Darcy généralisées et lois de conservation de la masse . . . . . 32 2.1.2 Notion de pression capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.3 Modèle black-oil diphasique eau-huile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.4 Application au cas d’un système composé de deux milieux poreux distincts 36 2.2 Description du modèle mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Homogénéisation partielle des équations . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Formulation des termes d’échange sur un bloc unique représentatif . . 37
5
6
3
4
2.3 2.4
2.5
2.6
2.7
TABLE DES MATIÈRES
Description du modèle homogénéisé conventionnel . . . . . . . . . . . . . . . Discrétisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Maillage conventionnel et sous-maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Méthode des volumes finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discrétisation temporelle et découplage des systèmes . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Discrétisations temporelles conventionnelles . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Découplage de la résolution en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Choix des résolutions en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discrétisation des équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Termes d’accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Termes de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Termes de flux entre mailles de même type . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4 Termes d’échange entre milieux fracture et matrice . . . . . . . . . . . 2.6.5 Systèmes à résoudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linéarisation de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Systèmes à résoudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Méthode de construction d’un sousmaillage optimal 3.1 Modèle de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Description des modèles de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Propriétés des zones et du fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Création d’un sous-maillage multi-dimensionnel optimisé . . . . . . . . . . . . 3.3 Création du sous-maillage optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Maillage concentrique de la matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Sous-maillage mono-dimensionnel optimal et pratique . . . . . . . . . 3.3.3 Validation du modèle optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Anisotropie de forme et de perméabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Automatisation du sous-maillage optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Influence de paramètres pétrophysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Résultats 4.1 Validation du modèle mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Cas-test 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Cas-test 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Limites du modèle mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Cas-test 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Cas-tests 4 et 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusions
38 39 39 41 43 43 44 45 45 47 48 49 52 59 60 60 61
63 64 64 64 67 71 71 73 74 77 79 79 82 83
85 85 86 87 92 92 93
97
TABLE DES MATIÈRES
Bibliographie
A Développements mathématiques
B
Publications B.1 Publication lors du SPE Reservoir Simulation Symposium 2005, 31 jan.-02 fév., Houston, Texas, U.S.A. [22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .] . B.2 Publication lors du IAHR-GW 2006 Groundwater in Complex Environments, 12-14 juin, Toulouse, France [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 Publication lors du CMWR-XVI 2006, Computational Methods in Water Re-sources, 19-22 juin, Copenhague, Danemark [20] . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
101
105
111
113
127
141
8
TABLE DES MATIÈRES
Nomenclature
SYMBOLES Ac cf cm f f Ff Fm F l g kr Kf K f Km K m M M N
Nsm P P ˜ Pf P c P c Q S S Sorw Swi V Vf Vm Vtot z
Terme d’accumulation Compressibilité totale dans la région fracture Compressibilité totale dans la région matrice Terme d’échange matrice-fracture à l’échelle locale Terme d’échange matrice-fracture à l’échelle macroscopique Fraction volumique de fracture Fraction volumique de matrice Terme de flux Accélération de la pesanteur Perméabilité relative Tenseur de perméabilité à l’échelle locale dans la région fracture Tenseur de perméabilité macroscopique dans la région fracture Tenseur de perméabilité à l’échelle locale dans la région matrice Tenseur de perméabilité macroscopique dans la région matrice Mobilité massique à l’échelle locale Mobilité massique macroscopique Nombre de mailles double-milieu (= nombre de mailles fracture = nombre de mailles matrice) Nombre de sous-mailles par bloc matriciel représentatif Pression à l’échelle locale Pression macroscopique Déviation macroscopique de la pression dans la région fracture Pression capillaire en eau à l’échelle locale Pression capillaire macroscopique en eau Terme d’échange entre les régions matrice et fracture Saturation à l’échelle locale Saturation macroscopique Saturation en huile résiduelle après balayage à l’eau Saturation en eau irréductible Vitesse de filtration Volume de fracture Volume de matrice Volume total Profondeur 9
10
SYMBOLES GRECS β,γ Δt ǫ µ ρ ρ σ ϕ ϕ Φ
INDICES 1(I) e f g h I,K j(I),k(I) m o v w
EXPOSANTS l n,n+ 1 n,n+ 1
Nomenclature
Paramètres prenant la valeur 0 ou 1 Pas de temps Paramètre d’homogénéisation Viscosité dynamique Masse volumique à l’échelle locale Masse volumique macroscopique Facteur de forme Porosité à l’échelle locale [adim] Porosité macroscopique Terme de flux entre mailles numériques de même type
Relatif à la sous-maille limite dans une maille matrice indicéeI Relatif au composant eau Relatif à la région fracture Relatif à la phase gaz Relatif au composant huile Relatif aux mailles matrice et fracture Relatif aux sous-mailles matrice dans une maille matrice indicéeI Relatif à la région matrice Relatif à la phase huile Relatif au composant gaz (volatil) Relatif à la phase eau
Relatif aux itérations de Newton Relatif au pas de temps, dans la résolution du système principal Relatif au pas de temps, dans la résolution des systèmes secondaires
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