Multiphase Thermo-Poromechanics on Corner Point Geometry Grids using Finite Volume Method
Cet article propose et valide une méthode de volumes finis utilisant l'approximation de contraintes multipoints avec symétrie faible (MPSA-W) pour calculer la géomécanique directement sur des maillages de géométrie à coins (Corner Point Geometry) conformes aux standards de l'industrie, éliminant ainsi le besoin de conversions de maillage sujettes à l'erreur et améliorant la précision de la modélisation des scénarios d'injection de CO2 avec des failles et des biseaux.
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La terre sous nos pieds n'est pas une scène statique ; c'est un système vivant et respirant qui réagit à chaque changement que nous lui imposons. Lorsque nous pompons des fluides depuis de profonds réservoirs souterrains pour extraire du pétrole ou du gaz, ou lorsque nous réinjectons de nouveaux fluides, les couches rocheuses se déplacent, se compressent et parfois se fissurent. Ce mouvement, connu sous le nom de géomécanique, est un facteur critique dans les projets énergétiques modernes. Si le sol bouge de manière inattendue, cela peut endommager le puits, déclencher de petits séismes ou même compromettre la sécurité du stockage du dioxyde de carbone en profondeur pour lutter contre le changement climatique. Pour prédire ces mouvements, les scientifiques construisent des modèles numériques de la terre, mais ces modèles ne sont aussi bons que les outils utilisés pour les calculer. Pendant des décennies, l'outil standard pour simuler le mouvement des fluides à travers la roche a été différent de l'outil utilisé pour calculer la déformation de cette roche. Ce décalage a forcé les ingénieurs à remodeler constamment leurs cartes numériques, un processus fastidieux et sujet aux erreurs qui déforme souvent les caractéristiques mêmes qu'ils tentent d'étudier, telles que les lignes dentelées des failles souterraines.
Une équipe de chercheurs de TotalEnergies, SINTEF Digital et CHLOE a développé une nouvelle façon de résoudre ce problème, permettant de calculer la déformation de la roche directement sur les mêmes cartes complexes utilisées pour l'écoulement des fluides. Leur travail se concentre sur un type spécifique de grille numérique appelé Géométrie de Points de Coin (Corner Point Geometry), qui est le standard de l'industrie pour représenter la réalité désordonnée et irrégulière des couches rocheuses souterraines, y compris les angles vifs des failles et les couches minces où la roche disparaît. Traditionnellement, pour étudier comment ces grilles réagissent aux changements de pression et de température, les ingénieurs devaient convertir la grille en une forme différente et plus simple que les anciennes méthodes informatiques pouvaient comprendre. Cette conversion étirait ou écrasait souvent les cellules de la grille, particulièrement près des failles, entraînant des prédictions inexactes. Les chercheurs proposent une nouvelle approche qui évite entièrement cette conversion, en utilisant une technique mathématique appelée Approximation de Contrainte Multi-Points pour calculer les forces et les mouvements directement sur la grille complexe d'origine.
L'équipe a testé cette nouvelle méthode par rapport à des programmes informatiques établis qui utilisent l'ancienne approche basée sur la conversion, ainsi que par rapport à des solutions mathématiques connues pour des scénarios simples. Ils ont commencé par des modèles basiques pour s'assurer que la nouvelle méthode fonctionnait correctement sur des grilles régulières, des grilles avec des failles et des grilles où les couches rocheuses s'amincissent et disparaissent. Dans ces tests, la nouvelle méthode a produit des résultats correspondant aux solutions connues avec une grande précision, ne montrant que de minuscules différences, même sur les grilles les plus déformées. Ils sont ensuite passés à des scénarios plus réalistes, simulant l'injection d'eau froide dans un réservoir chaud et l'injection de dioxyde de carbone froid dans un champ de gaz épuisé aux Pays-Bas. Dans ces simulations complexes, la nouvelle méthode a continué à concorder étroitement avec le logiciel traditionnel, capturant avec succès la façon dont la roche réagit aux changements de pression et de température.
L'une des découvertes les plus significatives fut la capacité de gérer les grilles non conformes, où les couches de roche ne s'alignent pas parfaitement d'un côté du modèle à l'autre, une caractéristique commune des formations géologiques réelles qui inclut les failles. Le logiciel traditionnel peinait avec ces formes irrégulières, nécessitant souvent que la grille soit lissée ou simplifiée, ce qui pouvait masquer des détails importants. La nouvelle méthode, cependant, gérait ces irrégularités naturellement, produisant des résultats presque identiques au logiciel de référence dans les zones où les grilles correspondaient, et fournissant des solutions stables là où le logiciel traditionnel ne pouvait pas fonctionner du tout. Les chercheurs ont également exploré à quel point l'écoulement des fluides et le mouvement de la roche doivent être calculés ensemble. Ils ont constaté que pour de nombreux scénarios, un calcul plus simple, étape par étape, était suffisant, économisant un temps de calcul important sans sacrifier la précision.
L'étude conclut que cette nouvelle méthode est une alternative robuste et fiable aux outils traditionnels utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière. En permettant aux ingénieurs d'exécuter des simulations géomécaniques directement sur les grilles complexes qu'ils utilisent déjà pour l'écoulement des fluides, cette nouvelle approche élimine le besoin de conversions de grilles risquées et réduit le temps passé à préparer les modèles. Cela est particulièrement précieux pour les projets impliquant le stockage géologique du carbone, où l'injection sécurisée de dioxyde de carbone froid dans des réservoirs profonds et chauds nécessite des prédictions précises de la façon dont la roche va se comporter. Les chercheurs ont validé leur travail sur un modèle de terrain réel aux Pays-Bas, démontrant que la méthode peut gérer les variations extrêmes des propriétés rocheuses présentes dans la nature, y compris les zones avec des roches très tendres et les zones avec des dômes de sel extrêmement rigides. Bien que la méthode ait montré une légère divergence dans un coin spécifique et hautement instable d'un modèle de test, les résultats globaux ont confirmé qu'elle offre une voie claire, précise et efficace pour simuler la réponse de la terre aux activités industrielles.
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