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Université Nice Sophia Antipolis (14/05/2007), Alexandre Chemenda (Dir.)
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Modélisation expérimentale de la fracturation d'un milieu sédimentaire
Cédric Jorand1

La modélisation de la déformation, de la rupture et de la fracturation des milieux rocheux représente un enjeu majeur dans de nombreux domaines scientifiques et pratiques, notamment pour l'exploitation des réservoirs fracturés. Cependant, cette modélisation se heurte à la mauvaise connaissance des lois constitutives, ce qui rend particulièrement importantes les approches expérimentales et en particulier la modélisation physique, qui est au coeur de ce travail.
Nous avons développé une technique originale d'une telle modélisation, basée sur un nouveau matériau Crack1 à l'échelle physique par rapport à une roche réservoir typique: le calcaire. Un programme étendu d'expérimentation avec les modèles de Crack1 a été réalisé avec un dispositif de chargement poly-tridimensionnel. Ce dispositif combine à la fois la simplicité et l'efficacité des solutions réalisées pour la réduction et l'élimination complète de la friction aux bords des modèles. Les résultats principaux peuvent être résumés de la façon suivante:
1.Des réseaux de diaclases ont été reproduits pour la première fois dans des conditions de chargement homogènes.
2.Les diaclases se forment, dans nos expériences, sous une compression triaxiale. Elles ne sont donc pas des fractures en Mode I.
3.Les figures fractographiques visibles sur les surfaces des diaclases naturelles et celles obtenues dans les modèles sont très similaires, ce qui suggère que la similarité physique est assurée pas seulement à macro-échelle, mais aussi à micro-échelle.
4.L'espacement S entre les diaclases ne dépend pas de l'épaisseur du modèle , contrairement au concept de « saturation » largement adopté dans la littérature et les modèles de réservoirs. Il a été démontré que S est contrôlé par l'état des contraintes imposé et la déformation accumulée du modèle.
5.Nous avons pu également reproduire dans des modèles les couloirs fracturés dont la formation est contrôlée par la rigidité des contacts aux limites de l'unité mécanique affectée par la fracturation.
6.L'augmentation de la pression moyenne appliquée au modèle résulte en un changement du style de la fracturation, qui évolue de manière continue des diaclases vers des fractures «obliques » conjuguées.
7.L'analyse des conditions de cette transition à partir de la théorie de la bifurcation de la déformation montre qu'elle est associée à la réduction du facteur de dilatance β de Crack1 avec l'augmentation de la pression p (ce type de dépendance β (p) est également connu pour les roches réelles).
Les résultats obtenus confirment donc que les lois constitutives contrôlent directement la fracturation. Des études expérimentales plus larges doivent désormais être menées pour contraindre ces lois dans toute leur complexité et avec une précision nécessaire.
1:  GEOAZUR - Géoazur
Modélisation anlogique – critères de similarité – fracturation – réservoir – réseaux de diaclases – couloirs fracturés – bandes de déformation – localisation – dilatance

Physical modelling of the fracturing of a sedimentary massif
Modelling of deformation, rupture and fracturing of rocks is a major challenge in many scientific and
practical fields, especially for fractured reservoir production. However, this modelling is harmed by poor knowledge of the constitutive laws. Therefore experimental approaches, and in particular physical modelling, that is the subject of this work, are of great importance.
We developed an innovative technique of such a modelling, based on a new material, Crack1 which is
physically scaled to a typical reservoir rock, a limestone. An extensive experimental program has been conducted, using a polyaxial device. This device combines both simplicity and efficiency, in particular in reduction or complete removal of the friction along the model boundaries. The main results can be summarized as following :
(1) Joints networks has been reproduced for the first time under homogeneous loading. (2) Joints form under triaxial compression and therefore they are not Mode I fractures. (3) Fractographic patterns on natural and the model joint surfaces are similar, implying that the physical similarity is observed both at micro- and macro-scale. (4) Joint spacing S does not depend on the model thickness, contrary to the widely adopted “saturation”concept. S was shown to be controlled by the stress state and the accumulated deformation. (5) We also reproduced fracture corridors, whose formation is controlled by the rigidity contrast at the model boundaries. (6) The increase in the mean stress σ results in the change of the fracturing style, which changes continuously from jointing to shear fracturing. (7) Based on the bifurcation theory, it was demonstrated that this transition is controlled by the reductionof the dilatancy factor β with growing σ.
These results thus confirm that constitutive laws directly control the fracturing. More extensive accurate investigation are now needed to better constrain these laws.
Analogue modelling – similarity criteria – fracturing – reservoir – jointing – fracture corridors – deformation bands – localisation – dilatancy

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