Thèse--Techniques et économie de l'entreprise minière--Paris--Ecole nationale supérieure des mines de Paris, 1987. / Bibliogr. p. 171-179.

Les affleurements de Bevons, Nyons et Rosans dans le Sud-Est de la France, comme ceux du Numidien (Sicile, Tunisie, Maroc...) ou de la Tourelle (Canada) permettent l'observation de nombreuses injectites sableuses alimentées par des chenaux turbiditiques. Deux types d'injectites sont présents : les sills (horizontaux) et les dykes (verticaux), les dykes étant issus des sills. Leurs processus de mise en place sont, selon les auteurs, per ascensum, post-dépositionnels, et (sans doute le plus souvent) per descensum, contemporains de la mise en place du sable nourricier et objet de la présente étude. L'approche des mécanismes intervenant dans cette fracturation et la modélisation de celle-ci ont notamment pour but de préciser l'évolution de l'étanchéité des matériaux argileux pouvant constituer un site de stockage de déchets. D'un autre point de vue, des injections sableuses étant localisées entre des réservoirs contenant des hydrocarbures, une détermination de leur géométrie est nécessaire pour prédire les circulations potentielles de fluides durant la production. Un modèle géométrique a été établi à partir de ces observations et a permis de faire certaines hypothèses sur les mécanismes à prendre en compte dans les modélisations de cette fracturation et/ou injection. Plusieurs approches sont menées en parallèle : - L'étude de la compaction dans le massif, avant l'injection : pour des concentrations en sable assez élevées (> 35 %), le poids de la colonne de mélange d'injection est supérieure à la contrainte verticale dans la partie superficielle du massif. Cette inversion de densité peut être responsable du fait que l'injection se propage plutôt vers le bas dans le cas des dykes ou le long de discontinuités stratigraphiques (telles que les niveaux de cendres par exemple). Lorsque l'on descend dans les sédiments, la pression dans la colonne de mélange sableux varie linéairement avec la profondeur alors que la contrainte dans les sédiments varie non linéairement (issue d'une courbe de porosité en exponentielle). A partir d'une certaine profondeur, la pression fluide devient inférieure aux contraintes dans la succession sédimentaire : l'injection ne peut pas dépasser cette profondeur. Ainsi, la propagation des dykes est limitée par le poids de son encaissant. - L'utilisation de la fracturation hydraulique comme mécanisme de l'injection : la mécanique des roches et plus précisément les mécanismes d'hydrofracturation ont été testés pour tenter de modéliser ces observations à grande échelle. La force responsable de l'initiation et de la propagation des fractures est la pression due à la mise en place du chenal turbiditique. Le modèle tient compte du fait que l'injection doit soulever les terrains sus-jacents. Les premiers résultats ont permis de montrer que dès qu'une fracture horizontale est initiée, la propagation est rapide. L'ouverture obtenue (épaisseur d'un sill) est décamétrique, soit du même ordre de grandeur que les observations de terrain. - L'utilisation d'un fluide à seuil dans un réseau établi, avec des probabilités cohérentes avec la réalité des phénomènes entrant en jeu, a permis de déterminer les extensions maximales d'injection en accord avec les observations de terrain : - Un sill seul peut se propager sur 2400 m en quelques dizaines d'heures, - Un dyke seul peut descendre jusqu'à 400 m sous le paléofond de mer en quelques secondes, - Un réseau de sills et de dykes connectés (ce réseau étant connecté au chenal par un sill) peut avoir une extension horizontale de 1200 m et verticalement de 400 m, et se mettre en place en quelques heures. La formation des sills est plus longue que celle des dykes, la formation d'un sill seul dure plusieurs heures alors que celle d'un dyke dure quelques secondes. Lorsque les sills et les dykes sont connectés, le temps de propagation du réseau est d'environ 2 heures. Les dykes se forment toujours en quelques secondes et ont un effet sur la propagation des sills qui se propagent deux fois moins loin que s'ils étaient seuls.

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches.

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches. / The study of fluid overpressures and hydraulic fracturing in source rocks can help us to understand the mechanisms, which are responsable for these phenomena. During the last few years, the interest in such processes has highly grown, especially through the influence of petroleum companies, which extract hydrocarbons from unconventional reservoirs. In this work, we have chosen to develop two different approaches for the study of these mechanisms: (1) field studies and (2) physical modelling. Thereby, we show that fluid overpressures and hydraulic fracturing are common in sedimentary basins worldwide. Bedding-parallel fibrous veins (beef) and solid hydrocarbon veins (bitumen) are the resulting structures. We also show that fluid overpressures can highly affect the deformation style in sedimentary basins, especially by causing thrust-detachments within source rocks. By the using of a new physcial modelling technique, we have identified the mechanisms, which are responsible for fluid overpressures and hydraulic fracturing. Indeed, during hydrocarbon generation, the solid organic matter becomes liquid, which leads to chemical compaction of the sediment. By a mechanism of load transfer, fluid overpressures rise to lithostatic values. However, volume changes also contribute, and are able to induce hydraulic fractures in the rocks.

Située dans le Nord-Est de la Colombie-Britannique, la formation de Montney est une zone d’exploitation gazière par fracturation hydraulique capable de rejeter des contaminants comme les éléments-traces, dont certains peuvent affecter la santé des femmes enceintes et leur enfant. Notre étude visait 1) l’évaluation de l’exposition de femmes enceintes de cette région à plusieurs éléments-traces à partir d’échantillons urinaires répétés, 2) la comparaison des concentrations à celles de populations de référence et 3) l’évaluation de la variabilité intra- et inter-individuelle dans les concentrations urinaires. 85 femmes enceintes participant à notre étude Exposures in the Peace River Valley (EXPERIVA) ont fourni 1 échantillon urinaire quotidien pendant 7 jours consécutifs. 20 éléments-traces y ont été analysés. Des statistiques descriptives ont été effectuées et la variabilité a été évaluée à l’aide du coefficient de corrélation intraclasse (CCI). Les concentrations urinaires médianes étaient supérieures à celles des populations de référence pour le baryum (2 fois), le cobalt (3 fois) et le strontium (2 fois). Durant la semaine, le 95e centile de référence était dépassé au moins 1 fois par de nombreuses participantes pour le baryum (58%), le cobalt (73%), le cuivre (29%), le manganèse (28%), le sélénium (38%), le strontium (60%) et le vanadium (100%). Les CCI variaient de 0.288 à 0.722 selon l’élément-trace. Nos résultats laissent supposer que les femmes enceintes de cette région peuvent être particulièrement exposées à certains éléments-traces (baryum, cobalt, cuivre, manganèse, sélénium, strontium et vanadium) et qu’un seul échantillon urinaire peut être insuffisant pour estimer adéquatement l’exposition à certains éléments-traces. / Located in Northeastern British-Columbia, the Montney formation is an important area of gas exploitation by hydraulic fracturing which can release contaminants like trace elements. Gestational exposure to these contaminants may lead to deleterious developmental effects. Our study aimed to assess gestational exposure to trace-elements in women living in this region through repeated urinary measurements, to compare these values to those from reference populations, and to evaluate inter- and intra-individual variability. 85 pregnant women participating in the Exposures in the Peace River Valley (EXPERIVA)study provided daily spot urine samples over 7 consecutive days. Samples were analyzed for 20 trace elements. Descriptive statistics were performed, and variability was evaluated through intraclass correlation coefficient (ICC) calculation for each trace element. When compared with those from North American populations, median urinary levels were higher in our population for barium (2 times), cobalt (3 times) and strontium (2 times). The 95th percentile of reference populations was exceeded at least 1 time by many participants during the week for barium (58%), cobalt (73%), copper (29%), manganese (28%), selenium (38%), strontium (60%) and vanadium (100%). ICCs varied from 0.288 to 0.722 depending on the trace element. Our results suggest that pregnant women living in this region may be more exposed to certain trace elements (barium, cobalt, copper, manganese, selenium, strontium, and vanadium), and that one urine spot sample could be insufficient to adequately estimate exposure to certain trace elements.

La génération des fréquences somme (SFG), une technique spectroscopique spécifique aux interfaces, a été utilisée pour caractériser les changements de la structure macromoléculaire du surfactant cationique chlorure de dodécyltriméthylammonium (DTAC) à l’interface silice/eau dans une plage de pH variant entre 3 et 11. Les conditions expérimentales ont été choisies pour imiter les conditions les plus communes trouvées pendant les opérations de récupération assistée du pétrole. Particulièrement, la silice a été étudiée, car elle est un des composantes des surfaces minérales des réservoirs de grès, et l’adsorption du surfactant a été étudiée avec une force ionique pertinente pour les fluides de la fracturation hydraulique. Les spectres SFG ont présenté des pics détectables avec une amplitude croissante dans la région des étirements des groupes méthylène et méthyle lorsque le pH est diminué jusqu’à 3 ou augmenté jusqu’à 11, ce qui suggère des changements de la structure des agrégats de surfactant à l’interface silice/eau à une concentration de DTAC au-delà de la concentration micellaire critique. De plus, des changements dans l’intensité SFG ont été observés pour le spectre de l’eau quand la concentration de DTAC augmente de 0,2 à 50 mM dans les conditions acide, neutre et alcaline. À pH 3, près du point de charge zéro de la surface de silice, l’excès de charge positive en raison de l’adsorption du surfactant cationique crée un champ électrostatique qui oriente les molécules d’eau à l’interface. À pH 7 et 11, ce qui sont des valeurs au-dessus du point de charge zéro de la surface de silice, le champ électrostatique négatif à l’interface silice/eau diminue par un ordre de grandeur avec l’adsorption du surfactant comme résultat de la compensation de la charge négative à la surface par la charge positive du DTAC. Les résultats SFG ont été corrélés avec des mesures de l’angle de contact et de la tension interfaciale à pH 3, 7 et 11. / Sum Frequency Generation (SFG), an interface specific spectroscopic technique, was used to characterize the changes in the macromolecular structure of the cationic surfactant dodecyltrimethylammonium chloride (DTAC) at the silica/water interface at pH values ranging from 3 to 11. The experimental conditions were selected to mimic conditions common during enhanced oil recovery operations. In particular, silica was studied since it is one of the most abundant mineral components of sandstone reservoirs, and surfactant adsorption was studied at an ionic strength (100 mM NaCl) relevant to hydraulic fracturing fluids. SFG spectra showed detectable peaks with increasing amplitude in the methylene and methyl stretching region when the pH was lowered to 3 or increased to 11, suggesting changes in the surfactant aggregate structure at the silica/water interface at a DTAC concentration above the critical micelle concentration. In addition, changes in the SFG intensity were observed for the water spectrum when increasing the DTAC concentration from 0.2 to 50 mM under acidic, neutral or alkaline conditions. At pH 3, near the point of zero charge of the silica surface, the excess positive charge due to adsorption of the cationic surfactant creates an electrostatic field that orients water molecules at the interface. At pH 7 and 11, which are above the point of zero charge of the silica surface, the negative electrostatic field at the silica/water interface decreases in magnitude with surfactant adsorption due to compensation of the negative surface charge by the positively charged DTAC. The SFG results were correlated with contact angle and interfacial tension measurements at pH 3, 7 and 11.

Ce travail concerne l'utilisation de la technique de Fracturation Hydraulique (FH) pour exploiter l'énergie géothermique des réservoirs profonds de roches sèches chaudes (HDR). La fracturation hydraulique est réalisée par injection de fluides géothermiques dans des réservoirs partiellement fracturés de faible perméabilité. Les fluides à haute pression sont destinés à faire évoluer les fissures et leur connectivité. Les valeurs de débit/pression auxquelles les fluides géothermiques doivent être pompés, ainsi que le calendrier de pompage pour initier la fracturation hydraulique, dépendent principalement des conditions géostatiques existantes (contraintes géostatiques, pression fluide et température initiales de l'HDR) ainsi que des propriétés des fissures de l'HDR (longueur, épaisseur, densité et distribution directionnelle initiales moyennes de fissures). Tous ces éléments, en sus de leurs effets sur la stabilité des forages, sont analysés dans cette recherche. Des modèles de fracturation, qui sont capables de suivre l'évolution des fissures dans toutes les orientations spatiales possibles, sont utilisés pour obtenir le tenseur anisotrope de perméabilité. Ces modèles sont intégrés dans un code domestique d'éléments finis qui est développé pour résoudre des problèmes aux limites thermo-poroélastiques. Pour supprimer/diminuer les oscillations qui accompagnent les solutions paraboliques et/ou hyperboliques lors de la convection forcée, plusieurs techniques de stabilisation ont dû être implémentées.

La formation des gisements métallogéniques en général et uranifères en particulier, dans les bassins paléoprotérozoïques, dépend de la migration des fluides riches en divers éléments (U, Cu, Fe, etc.). L’objet de cette thèse a été de définir le contexte tectonique, sédimentologique et diagénétique associées aux gisements bitume--‐uranium du bassin de Franceville. L’étude tectonique réalisée met en évidence des failles de transfert N180--‐170, héritées de la tectonique archéenne et des failles normales longitudinales N110--‐120. Ces deux familles de failles compartimentent le bassin de Franceville en plusieurs sous--‐bassins de subsidence variable. Les failles longitudinales N110--‐120° contrôlent la mise en place d’anticlinaux de mur et des synclinaux de toit synsédimentaires (i.e. discordances progressives). Les gisements d’uranium du bassin de Franceville, se localisent au niveau des anticlinaux de mur des failles normales. L’étude sédimentologique du bassin caractérise la distribution spatiale des paléoenvironnements de dépôt. Quatre grands environnements de dépôts sont respectivement mis en évidence : fluviatile (formation FA inferieur), deltaïque (formation FA moyen), tidal (formation FA Supérieur) et marin profond (formation FB). La distribution des facies sédimentaires à la transition FA--‐FB est responsable de la mise en place de barrières de perméabilité. Les barrières de perméabilité sont responsables de l’augmentation de la pression fluide, qui favorise la mise en place des structures de surpression fluide (dykes, stylolites, veines de quartz), au voisinage des anticlinaux de mur contrôlés par les failles normales. Les différences de pression dans le bassin favorisent la migration des fluides uranifères et des hydrocarbures, des zones profondes du bassin vers les anticlinaux de mur. Les structures de fracturation hydraulique vont contrôler la mise en place des bitumes et des minéralisations d’uranium associées. / Metallogenic deposits within paleproterozoic basins depend on generation and migration of fluids. The aim of this study is to provide a better understanding of tectonic, sedimentological and diagenetic setting of the uranium deposits in the Franceville basin and to characterize hydraulic fracturing impact on fluid migration processes in sandstone reservoirs.Tectonic study define the N180-170° transfer faults, associated with Archean tectonic and the N110-120° longitudinal normal faults. These two fault directions split the Franceville basin into small sub-basins. The longitudinal normal faults are associated with footwall anticlines and hanging wall synclines. The uranium deposits of Franceville basin are located in footwall anticlines of longitudinal normal faults.Sedimentological analysis allows to describe four depositional environments: Fluvial (lower FA), deltaic (middle FA), tidal (upper FA), and open marine environments (FB). Facies distribution in the FA-FB transition promotes the establishment of permeability barriers. These latter are responsible of the increase in fluid pressure and of the formation of fluid pressure structures (dykes, stylolites, quartz veins), in footwall anticlines of longitudinal normal faults. Increase in fluid pressure allows the migration of uranium-fluids, and hydrocarbon from the deep basin to the footwall anticline. Hydraulic fracturing processes lead the precipitation of uranium mineralization, associated with bitumen, in microfractures.

L’analyse de la controverse sur le gaz de schiste en France et au Québec à un niveauintermédiaire (méso) permet de souligner les processus de construction et contestation sociale etpolitique des différents cadrages soutenus par les réseaux d’acteurs en concurrence. Lesdynamiques d’intéressement à l’intérieur et à l’extérieur de l’action publique illustrent lesmultiples scènes et forums dans lesquels se déploie la controverse. L’analyse de la construction dece problème public et ses diverses redéfinitions démontre le rôle central du cadrage politique descontroverses. Les solutions retenues définissent tout autant qu’elles tentent de réduire le risquerelatif à cette nouvelle industrie gazière (face à un risque cadré comme technologique en France,on observe un cadrage sur l’acceptabilité sociale au Québec). Il s’agit alors d’insisterparticulièrement sur la dimension procédurale de problématisation des enjeux au regard du recoursà la participation publique et à l’expertise scientifique. Les multiples acteurs de cette controversesont interrogés : les participants à la mobilisation sociale mais aussi les acteurs de l’industrie et desstructures politiques et administratives, afin de dresser la cartographie de leur position mais ausside leurs discours depuis les prémices de cette nouvelle activité industrielle d’exploration du gaz deschiste (2008) jusqu’aux derniers rebondissements politiques (2015). Cette recherche s’appuie surun corpus d’entretiens qualitatifs (40) mais aussi d’articles de presse écrite (2 400) ainsi que surl’analyse qualitative et quantitative des divers rapports et commissions de travail sur le gaz deschiste. / The analysis of the shale gas controversy in France and Quebec at an intermediate (meso)level stresses the social and political construction and dispute processes of the various framingssupported by contesting actors’ networks. “Interestment” dynamics both inside and outside publicpolicies show the multiple scenes and forums in which the controversy unfold. The analysis ofhow this public problem is built and its various redefinitions shows the core role of politicalframing of controversies. The solutions define as well as they reduce the risk related to this newindustry (a technological risk in France and a frame on social acceptability in Quebec). It is thenimportant to stress the procedural dimension of problematizing the stakes regarding publicparticipation and scientific expertise. This study questions the various actors of the controversy,those of social mobilization, the industry and the political and administrative structures, to mapboth their position and their discourses since the beginnings of the new industrial activity ofexploring for shale gas (2008) to the latest political developments (2015). This study is based on acorpus of qualitative interviews (40), press articles (2 400) and a qualitative and quantitativeanalysis of the various reports and committees on shale gas.

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement. / The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling.