Aujourd’hui, l’un des principaux défis dans l’industrie pétrolière, et particulièrement dans le domaine de l’exploration, est l’exploitation des nouvelles ressources dans des zones structuralement complexes.Nous savons que la géométrie et le glissement le long des failles actives modifie la distribution locale des contraintes. La connaissance du champ de contrainte perturbé actuel est importante pour l’étude des tremblements de Terre, pour la planification de forages ainsi que pour la prédiction de la fracturation induite par l’hydro-fracturation et la prédiction de la réactivation des fractures. Les contraintes perturbées passées, quant à elles sont responsables du développement des fractures naturelles (préexistantes). La détection et la modélisation de celles-ci sont essentielles tant dans le domaine pétrolier (migration et piégeage des fluides) pour une exploitation efficace et à moindre coût des réserves naturelles.Comprendre et quantifier le développement spatial et temporel de ces contraintes a un impact économique non négligeable. L'analyse des paléo-contraintes a été introduite dans un premier temps par Anderson (1905 & 1942) de manière intuitive, puis dans le milieu du siècle dernier, Wallace (1951) et Bott ( 1959) proposèrent les simples postulats que le champ de contrainte est homogène et que la direction du rejet est parallèle à la traction projetée sur le plan de faille. Beaucoup de méthodes d’inversion de contraintes reposent aujourd’hui sur ce principe.Afin d’étudier la validité de l’hypothèse Wallace et Bott, une comparaison avec les vecteurs de glissement générés à partir de modèles numériques (BEM) est effectuée. En testant l’influence de multiples paramètres (géométrie, contraintes au limites du modèle, friction, coefficient de poisson, demi-espace, pression de fluide dans la faille), il est montré que les failles à géométries complexes soumises à certaines contraintes aux limites peuvent engendrer des vecteurs glissements présentant des écarts important avec les la plus grande contraintes cisaillantes résolue sur le plan de faille. A l’inverse, la présence d’une forte friction de glissement permet, dans certaines conditions, de valider l’hypothèse de Wallace et Bott. On s’attache ensuite à comparer les résultats des inversions de contraintes basées sur l’hypothèse de Wallace et Bott (appelé méthode d’inversion classique de contraintes) avec une méthode géomécanique. Pour cela, une faille à géométrie complexe est utilisée dans une étude de sensibilité (contraintes aux limites, friction, échantillonnage) permettant d’analyser l’incertitude des résultats des deux méthodes d’inversion. Cette analyse est ensuite confrontée à l’étude d’un cas de terrain, montrant les avantages et inconvénients des méthodes d’inversions classiques de contraintes.Un des principaux défis de l’industrie pétrolière est l’exploitation des ressources des zones structuralement complexes telles que les réservoirs naturellement fracturés. Connaitre l’état de contraintes hétérogène passé permet d’optimiser la modélisation de ces fractures naturelles. Etant donné que les glissements sur les failles sont difficiles à observer dans les réservoirs pétroliers, les données de d’orientation de fractures (joints, failles, stylolites) sont naturellement prises en compte lors de l’inversion des contraintes. On montre, en utilisant divers exemples de terrain et d’industrie, que dans de tels cas, l’utilisation d’inversions basée sur la mécanique est beaucoup plus appropriée. Cependant, il est parfois difficile de déterminer le type cinématique de fracture observée le long des puits, et très souvent, les zones étudiées ont subi une tectonique polyphasée. La dernière partie vise donc à résoudre le problème des données de types cinématiques non identifiables (joints, failles, stylolites…) et étend parallèlement l’inversion mécanique des contraintes à la séparation de phases tectoniques. / Today, one of the main challenges in the oil industry, especially during the exploration phase, is the exploitation of new resources in structurally complex areas such as naturally fractured reservoirs, salt diapirs, mountain ranges, and unconventional reservoirs.We know that the geometry and sliding along active faults modifies the local stress distribution. Knowing the present day perturbed stress field is important for the study of earthquakes, for the planning of the borehole drilling and stability as well as for the prediction of fractures induced by hydro-fracturing and reactivation of natural fractures. In the other side, perturbed paleostress are responsible for the development of (pre-existing) natural fractures. The detection and modeling of the latter, are essential both in the oil industry (migration and trapping of fluids) for a cost efficient recovery of natural reserves.Understanding and quantifying the spatial and temporal development of the stress distribution has a significant economic and environmental impact. The analysis of paleo-constraints was intuitively introduced first by Anderson (1905 & 1942), then in the middle of the last century, Wallace (1951) and Bott (1959) proposed the simple hypothesis that (i) The stress field is homogeneous in space and constant in time, and that (ii) the slip direction is parallel to the traction projected on the fault plane which gives the direction of the shear stress. Many stress inversion methods are based on this hypothesis while recent studies raise doubts as to their compatibility with rock mechanics.In order to investigate the validity of the Wallace and Bott hypothesis, a comparison with vectors of slip generated with numerical models (BEM) is performed. By testing the influence of multiple parameters (geometry, boundary conditions, friction, Poisson’s coefficient , half-space, fault fluid pressure), it is shown that the complex geometry faults subject to specific boundary conditions can yield slip vectors with significant discrepancies with the maximum shear stress resolved on the fault plane. Conversely, the presence of a high sliding friction, allows under certain conditions, to validate the hypothesis of Wallace and Bott.We then focus on the task to compare the results of stress inversions based on the assumption of Wallace and Bott (called classical stress inversion methods) to a geomechanical method. For this, a complex fault geometry is used in a sensitivity analysis (boundary conditions, friction, sampling) to evaluate the uncertainty of the results of the two inversion methods. This analysis is then compared to a case study, Chimney Rock (Utah, USA), showing the advantages and disadvantages of the classical stress inversion methods.One of the main challenges of the oil industry is the exploitation of resource in structurally complex oil fields such as naturally fractured reservoirs. Knowing the heterogeneous paleostress allows to optimize the modeling of these natural fractures. Since slip on faults is hardly observed in petroleum reservoirs, fracture orientation data (joints, faults, stylolites) are naturally taken into account during the inversion of stresses. It is shown, using various field and industry examples, that in such cases the use of mechanical stress inversions is much more appropriate.However, it is sometimes difficult to determine the fracture kinematics observed along wellbores, and very often the studied regions underwent multiple tectonic phases. The final section aims to address the problem of data with unknown kinematic (joints, faults, stylolites ...) and expends the mechanical stress inversion to the separation of tectonic phases.

La fracturation hydraulique est au cœur d'un certain nombre de phénomènes naturels et induits et est cruciale pour un développement durable de la production de ressources énergétiques. Compte tenu de son rôle crucial, ce phénomène a été pris en compte au cours des trois dernières décennies par le monde académique. Néanmoins, un certain nombre d'aspects très importants de ce processus ont été systématiquement négligés par la communauté. Deux des plus remarquables sont l'incapacité de la grande majorité des modèles existants à aborder la propagation des fractures hydrauliques dans les massifs rocheux fracturés où l'injection de fluide peut à la fois conduire à la fracturation de la roche intacte et à la réactivation de fractures préexistantes. Un autre aspect essentiel de ce processus est qu'il est intrinsèquement tridimensionnel, ce qui est souvent négligé par les modèles actuellement disponibles. Pour aborder ce problème essentiel, un modèle hydro-mécanique couplé basé sur la méthode des éléments discrets a été développé. La masse rocheuse est ici représentée par un ensemble d'éléments discrets interagissant à travers des lois de contact cohésifs qui peuvent se casser pour former des fissures à l'intérieur du milieu simulé. Ces fissures peuvent se coalescer pour former des fractures. Une méthode de volume fini est utilisée pour simuler l'écoulement de fluide entre les éléments discrets. L'écoulement est calculé en fonction de la déformation de l'espace poreux dans le milieu intact et de l'ouverture des fissures dans les fractures. De plus, les fractures naturelles sont modélisées explicitement de sorte qu'elles peuvent présentées des comportements mécanique et hydraulique différents de ceux de la matrice rocheuse intacte. La simulation des processus de fracturation hydraulique dans un milieu initialement intact en considérant plusieurs points d'injection plus ou moins espacés a permis de mettre en évidence l'évolution spatio-temporelle des fractures hydrauliques et de quantifier l'impact des différentes stratégies d'injection sur des indices représentatifs du volume fracturé, de l'intensité et de la densité des fractures ou encore sur la pression de fluide au niveau du puits. De plus, l'injection dans une fente de perforation non alignée sur le plan de contrainte minimum a génère des fractures hydrauliques non planaires percolantes si la connectivité est faible, ce qui peut être gênant pour la mise en place du proppant. En outre, des interactions fortes prennent place entre des fractures hydrauliques étroitement espacées ont été mises en évidence grâce au le suivi de la orientation de contrainte principale locale et ont révélé l'importance des effets d'ombre de contrainte. Des solutions sont proposées pour optimiser les traitements multiples à partir d'un puits de forage non parfaitement aligné. Enfin, l'interaction entre une seule fracture hydraulique et une seule fracture naturelle de propriétés et d'orientations variables a été étudiée à l'aide du modèle proposé. L'évolution de la fracture hydraulique et la réponse globale de l'échantillon ont été enregistrées d'une manière comparable aux données expérimentales existantes pour établir un pont entre les résultats expérimentaux et numériques. Les fractures naturelles persistantes semblent être des barrières pour la fracture hydraulique si leur conductance est élevée par apport a celle de la matrice ou si leur raideur est faible par rapport a la rigidité du milieu environnant. D'autre part, une faible rigidité dans les discontinuités non persistantes pourrait provoquer une bifurcation de la fracture hydraulique principale. De plus, des angles d'approche élevés et des contraintes différentielles fortes semblent favoriser le croisement de la fracture naturelle alors que des angles faibles engendrent plutôt un glissement ou une dilatation par cisaillement de la partie du plan qui n'est pas affectée par la perturbation de la contrainte. / Hydraulic fracturing is at the core of a number of naturally occurring and induced phenomena and crucial for a sustainable development of energy resource production. Given its crucial role this process has been given increasing attention in the last three decades from the academic world. Nonetheless a number of very significant aspects of this process have been systematically overlooked by the community. Two of the most notable ones are the inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in realistic, fractured rocks-masses where hydraulic fracturing is a competing dipole mechanism between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another essential aspect of this process is that it is intrinsically three-dimensional which is neglected by most models. To tackle this vital problem taking into account these pivotal aspects, a fully coupled hydro-mechanical model based on the discrete element method has been developed. The rock mass is here represented by a set of discrete elements interacting through elastic-brittle bonds that can break to form cracks inside the simulated medium. Theses cracks can coalesce to form fractures. A finite volume scheme is used to simulate the fluid flow in between these discrete elements. The flow is computed as a function of the pore space deformation in the intact medium and of the cracks' aperture in the fractures. Furthermore, the natural fractures are modelled explicitly and present mechanical and hydraulic properties different from the rock matrix. Employing this model in an intact numerical specimen, single fluid injection and multiple closely spaced sequential injections, enabled the description the full spatio-temporal evolution of HF propagation and its impact on quantitative indexes used in description of hydraulic fracturing treatments, such as fractured volume, fracture intensity and down-the-hole pressure for different control parameters and in-situ stress-fields. Moreover, injections from perforation slots which are not well aligned to the minimum stress plane showed possible creation of percolating non-planar hydraulic fractures of low connectivity, which can be troublesome for proppant placement. Also, strong interactions between closely spaced HF were highlighted by tracking the local principal stress rotation around the injection zones, emphasizing the importance of stress shadow effects. Optimization solutions are proposed for multiple treatments from a non-perfectly aligned wellbore. Finally, interaction between a single hydraulic fracture and a single natural fracture of varying properties and orientations was studied using the proposed model. The evolution of the hydraulic fracture and the global response of the specimen were recorded in a way comparable to existing experimental data to bridge the experimental and numerical findings. Persistent natural fractures appeared to be barriers for the hydraulic fracture if their conductance is high compared to the matrix conductivity or if their stiffness is significantly low compared to the rock matrix rigidity. Low stiffness in non-persistent defects might also cause a bifurcation of the main hydraulic fracture due to the local stress field perturbation around the defect and ahead of the hydraulic fracture tip. Furthermore, high approach angles and differential stresses seemed to favour crossing of the natural fracture while low angles enable shear slippage or dilation on the part of the plane which is not affected by the local stress perturbation.