Simulation numérique d'un protocole d'injection cyclique et de la sismicité induite dans des conditions de volume et temps constants

«L’injection souterraine de fluides joue un rôle clé dans plusieurs applications liées à la transition énergétique, notamment la géothermie, le stockage géologique du CO2 et de l’hydrogène. Bien que nécessaire, cette opération peut provoquer une hausse de la pression interstitielle, susceptible de déstabiliser des failles préexistantes. Un tel déséquilibre peut déclencher des glissements lents dits asismiques. Ces derniers modifient progressivement le tenseur de contraintes environnant jusqu’à réactiver, parfois à distance et avec retard, des failles susceptibles d’induire une sismicité perceptible. Dans le but de mitiger ce risque, des protocoles d’injection cyclique sont de plus en plus étudiés comme alternative aux injections classiques à débit constant. Il s’agit d’alterner des phases d’injection et d’autres de repos, ce qui serait potentiellement apte à dissiper les pics de pression. Cependant, leurs effets réels sur la dynamique du glissement asismique et sur la propagation des ruptures restent encore peu explorés. Ce mémoire propose une modélisation numérique de ces protocoles d’injection cyclique à l’aide de la librairie DDMFaultSlip.jl développée en langage Julia qui repose sur la Méthode des Déplacement Discontinus. L’étude simule plusieurs scénarios d’injection cyclique puis à taux constant dans des conditions de volume et temps constants. Dépendamment des simulations, on fait varier les paramètres de l’étude ; soient le paramètre de contrainte de faille, le nombre de cycles et la durée des phases de repos. La comparaison des deux protocoles se fait alors à travers l’analyse de la propagation du taux de glissement, du glissement et moment asismiques induits, des fronts de rupture et de blocage, avant et après l’arrêt de l’injection. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un mode de propagation de la rupture singulier propre à l’injection cyclique. On parle là d’une pulsation secondaire qui progresse vers le point d’injection durant les phases de réinjection avant de reprendre la propagation classique lors de l’injection en mode fissure. Ce mode de propagation retardé se répercute sur l’ensemble des paramètres mesurés aussi bien que l’on repère ce retard dans les fronts de rupture et de blocage et le moment asismique. D’autre part, bien que le protocole cyclique tende à générer plus de glissement et de moment pendant l’injection, il permet de mitiger la rupture après l’arrêt de l’injection. Ces résultats nuancent les avantages souvent attribués à l’injection cyclique.»

Abstract

«Fluid injection in the subsurface is a key step in many geoenergy operations including geothermal energy production, geological carbon storage and seasonal hydrogen storage. The increase in pore fluid pressure resulting from injection has been recognized as a destabilizing mechanism for surrounding fractures and faults, which can cause aseismic slip. This kind of slip is slow and stable. However, it progresses further and can induce microseismic events or even major seismic one if it meets an unstable fault. Cyclic injection schedules, alternating high and low or no flow rates are seen as a promising solution to mitigate induced seismicity risks. However, hydro-mechanistic models that evaluate the consequences of cyclic injection, in terms of aseismic slip evolution and propagation of the rupture modes for site-specific conditions, are still lacking. In this study, we use a numerical model based on the Julia library « DDMFaultSlip.jl », using the Displacement Discontinuity Method, to simulate various scenarios of cyclic and constant rate injection. Through these simulations in which we vary the fault stress parameter, the number of cycles and the quiescence period, we compare the propagation of slip rate, aseismic slip and moment, and rupture fronts for both protocols in volume and time constant conditions before and after shut-in. The results show that the rupture propagates with a delay attributed to a propagation mode specific to cyclic injection called the secondary pulse. It propagates towards the injection point with a growing amplitude during reinjection and resumes crack-like propagation when it reaches said injection point. Such a delay is also observed in the propagation of the rupture and locking fronts. Cyclic injection also generates more aseismic slip and moment before shut-in during injection but induces a slower propagating rupture front after shut-in.»