L'étude présentée dans ce travail a pour objectif d'apporter une amélioration de la description du couplage entre les déformations et les écoulements pour la modélisation pétrolière de la production des réservoirs fracturés. La perturbation de l'état d'équilibre initial dans le réservoir par l'extraction des hydrocarbures et / ou l'injection de fluides peut induire des déformations à la fois de la matrice poreuse et des fractures. Ces dernières représentent les chemins d'écoulement préférentiels des hydrocarbures et leur déformation peut modifier considérablement la récupération des ressources en place. Les simulations conventionnelles des réservoirs fracturés reposent sur une description homogénéisée simplifiée dite 'double milieu' et supposent que le milieu n'est pas déformable. Nous proposons tout d'abord une généralisation de ces modèles au cas des milieux déformables en construisant un modèle hydromécanique complètement homogénéisé à l'aide des méthodes d'homogénéisation asymptotique. Nous présentons ensuite une estimation des coefficients poromécaniques des milieux fracturés à partir des lois de comportement expérimentales des fractures ainsi qu'une méthodologie de réactualisation de la perméabilité des fractures. Dans le cadre de simulations industrielles pétrolières, un modèle poromécanique basé sur ces résultats et un modèle de réservoir sont utilisés séquentiellement afin de satisfaire l'ensemble des équations d'équilibre mécanique et d'écoulement. A l'aide de simulations hydromécaniques nous reproduisons l'impact de la fermeture et / ou de l'ouverture des fractures sur la production des ressources en place pour des schémas de production primaire et secondaire / This study aims at providing a better description of the coupling effects between deformation and flow for the simulation of the production of fractured reservoirs. The modification of the initial equilibrium state of stress in the reservoir, due to hydrocarbon extraction and /or fluid injection, may lead both the porous matrix and the fracture network to suffer deformation. As the fractures usually constitute the preferentially flow pathways, their deformation may considerably affect the recovery of the resources in place. Simulations of fractured reservoir usually make use of homogenized and simplified description referred to "double porosity" model and assume a non-deformable fractured medium. We first develop a generalization of these models to the case of double porosity defolmable media building a fully homogenized hydromechanical model. Then, we both investigate estimations of the poromechanical coefficients for fractured media based on experimental behaviour laws of fractures and present a methodology for the actualization of the fracture permeability. In the framework of the industrial simulation of fractured reservoirs, a poromechanical simulator based on these results and a reservoir simulator are sequentially combined to satisfy the set of equations of mechanical equilibrium and flow. In this study, hydromechanical simulations reproduce the impact of the fracture closure and/or re-opening on recovery efficiency during primary and secondary production schemes of fractured reservoirs

Les réservoirs géologiques fracturés ont une place importante parmi les défis environnementaux et économiques du 21e siècle. En effet, ils sont associés tantôt au stockage de fluides en profondeur comme les déchets nucléaires, tantôt à la production de ressources fondamentales pour nos sociétés comme l'énergie géothermique. Les écoulements préférentiels au sein des roches fracturées sont façonnés par des réseaux de fractures qui rendent le milieu très hétérogène et anisotrope, et dont la structure et les propriétés physiques sont difficiles à déterminer, car elles dépendent notamment de l'échelle d'investigation et de la connectivité des réseaux. Dans cette thèse, nous évaluons le potentiel informatif des méthodes de déformations de surface, en particulier l'inclinométrie, pour suivre et décrire les réservoirs fracturés à trois échelles importantes. Les inclinaisons de la surface du sol, ou tilt, sont en effet très sensibles aux flux souterrains et par conséquent à l'impact des structures conductrices principales. Dans un premier temps, nous développons la stratégie méthodologique visant à interpréter les signaux inclinométriques. A l'aide d'un modèle élastique et à travers une exploration systématique de l'espace des paramètres géométriques, nous avons observé que le tilt est principalement sensible au pendage et à l'extension en profondeur d'une fracture, mais que cette sensibilité dépend de l'endroit où sont placés les instruments en surface. Nous validons ensuite l'approche hydrogéodésique en couplant un suivi temporel fin des déformations à l'aide d'inclinomètres longue-base, et une cartographie bien distribuée des déplacements verticaux par nivellement optique, au cours d'une mise en charge d'une zone de faille pendant quelques heures. Les observations sont honorées avec succès à l'aide d'un modèle hydromécanique simple permettant notamment d'estimer l'emmagasinement de la faille, en accord avec des études passées utilisant des méthodes différentes. Une modélisation poro-mécanique du problème de diffusion de pression au sein d'une zone de faille sub-verticale, incluse dans une matrice moins transmissive, a permis de démontrer que le signal transitoire de déformation en surface rend compte des propriétés mécaniques de la faille, ainsi que du fonctionnement hydromécanique du système dans son ensemble. Ensuite, nous avons développé une approche expérimentale permettant de suivre les déformations en surface associées à la mise en pression de fractures profondes et horizontales d'extension métrique. Grâce à la nature oscillatoire de la charge hydraulique imposée, nous avons pu identifier la signature des variations d'ouverture des fractures testées dans le signal d'un inclinomètre pendulaire. Les amplitudes trouvées, de l'ordre de 10 nanoradians pour quelques centimètres de charge hydraulique, permettent d'obtenir des estimations cohérentes de la raideur des fractures. Enfin, nous avons abordé la problématique des flux saisonniers au sein d'un aquifère de socle fracturé et son lien avec la recharge. Le signal inclinométrique est fortement corrélé aux variations piézométriques annuelles du site d'étude mais possède la singularité importante d'être en avance de phase d'environ un mois. Nous interprétons avec succès les chroniques inclinométriques à l'aide d'un modèle hydromécanique 1D, et mettons en valeur le fait que la méthode présente un intérêt pour déterminer la géométrie du réservoir à large échelle, et est sensible aux modalités de la recharge (diffuse versus focalisée, dans le temps et l'espace) davantage encore que ne l'est la piézométrie. Ce résultat inédit ouvre des perspectives quant à l'estimation des flux liés à la recharge, ce qui est un enjeu majeur pour les questions de gestion de ressource en eau. Nous concluons donc que l'inclinométrie est une méthode à fort potentiel pour décrire les propriétés et le comportement hydromécanique des réservoirs fracturés, de l'échelle du mètre jusqu'à plusieurs kilomètres. / Fractured geological reservoirs have an important position among the environmental and economical challenges of the 21st century. In fact, they are either associated to deep storage of fluids, like nuclear wastes and carbon dioxide, or to the production of resources that are fundamental in our society, like geothermal energy and water. Preferential flowpaths within fractured rocks are shaped by fracture networks which make the media very heterogeneous and anisotropic. It is difficult to determine their structure and physical properties as they actually depend on the network's connectivity and scale of investigation. In this thesis, we assess the informational potential of surface deformation methods, in particular surface tilt, to monitor and describe fractured reservoirs at three important scales. Indeed, surface tilt is very sensitive to deep sub-surface fluxes and thereby to the impact of main conductive structures. Firstly, we develop the methodological strategy aiming at interpreting surface tilt. Using an elastic model and through a systematic exploration of the geometrical parameter space, we observe that tilt measurements are mainly sensitive to a fault's dip and extension in the dip direction. However, this sensitivity clearly depends on the position of measurement with respect to the fault. In addition, we validate the hydrogeophysical approach by monitoring the deformation induced by the pressurization of a sub-vertical fault zone during a few hours, using continuous long-baseline tiltmeter data and spatially distributed vertical displacements from two optical leveling campaigns. The observations are successfully reproduced by a simple hydromechanical model from which we estimate the fault's storativity, in agreement with previous results obtained from different approaches. A more robust poro-mechanical model of pressure diffusion in a fault embedded in a less permeable matrix is then used to further investigate the information content of transient tilt data. Therewith, we show that surface tilt is sensitive to the mechanical properties of the fault zone and to the hydromechanical functioning of the system as a whole. Secondly, we have developed an experimental approach aiming at monitoring surface deformations generated by the pressurization of deep sub-horizontal fractures of a few meters extent. By imposing an oscillatory hydraulic load at the fractures' inlets, we are able to recognize the signature of their mechanical opening in tilt measurements. The recovered amplitudes lie around 10 nanoradians for a few centimeters of hydraulic head variations. From this we estimate fracture stiffnesses that are consistent in light of published data. Finally, we address the question of seasonal fluxes within a fractured aquifer and its link with recharge.Tilt signals are well correlated with annual head fluctuations at the study site. However, the remarkable difference is that tilt displays a phase lead of about one month with respect to piezometric levels. We interpret tilt time series with a 1D hydromechanical model and highlight the fact that the method is of interest for determining the large scale reservoir's geometry and that it is sensitive to recharge processes (local versus spread recharge, both in space and time). This novel result opens new perspectives as regards the estimation of recharge fluxes which is a major concern for water resources management. Hence, we conclude that surface tilt monitoring is a method with a strong potential to describe the properties and hydromechanical behavior of fractured media, from a few meters' scale up to several kilometers.

La thèse porte sur la caractérisation des réservoirs non conventionnels. Elle cherche à intégrer paramètres sédimentologiques, diagénétiques et structuraux dans un réservoir gréseux "tight" pour prédire ses propriétés hydrauliques. Elle concerne la formation des "Quartzites de Hamra", un des réservoirs pétroliers les plus prolifiques des bassins paléozoïques algériens. Cette formation s’est déposée à l’Arenig dans un environnement marin peu profond. Elle a connu au cours de l’enfouissement une diagenèse siliceuse qui a modifié ses propriétés mécaniques et sa porosité. Les fractures, présentes à toutes les échelles, pallient aux faibles caractéristiques matricielles, et leur géométrie est peu précise. La thèse s’est focalisée sur deux cas de terrain, situés sur la zone de suture panafricaine et un champ à gaz localisé dans la partie centrale du bassin de l’Ahnet. L’étude pluridisciplinaire combine plusieurs approches allant de la télédétection aux analyses de laboratoire. Les résultats montrent que les «Quartzites» se sont déposés dans une rampe sableuse, soumise à une forte hydrodynamique tidale. Le système fracturé est en grande partie influencé par la présence des failles. La diagenèse siliceuse a été favorisée par la maturité minéralogique des faciès et leur richesse en quartz monocristallin. La principale source de silice est interne, et liée à la pression-dissolution. A cette histoire de la diagenèse succède une histoire complexe de la déformation, pendant laquelle on assiste à la création de veines en crack-seal, puis à des circulations hydrothermales, d’une précipitation dominée par les hydroxydes de fer et les phosphates. / This PHD subject is related to the "Characterization of nonconventional reservoirs". It’s purpose is to understand the interactions between sedimentary facies, fracturation and digenesis in a tight gas reservoir, in order to predict its hydraulic properties. This approach was applied to the "Quarzites de Hamra" formation, which is one of the most prolific reservoirs in the Algerian Paleozoic basins. This formation was deposited during Arenig time, in a shallow marine setting, and underwent during its burial history an important quartz cementation which modified its mechanical properties and porosity. Natural fractures are present at all levels and mitigate low matrix porosities, but their geometric attributes still poorly understood and difficult to predict. The thesis was focused on two field cases, located on the Panafrican suture zone, and a tight gas field located in the central part of Ahnet basin. The multi-disciplinary approach we used integrates satellite imagery, field and well data, and laboratory techniques. The results obtained show that the "Quarzites de Hamra" formation was deposited in a tidal clastic ramp. The fracture system is mainly controlled by the presence of faults. The quartz cementation was favored by the mineralogical maturity of the facies and their high mococristalline quartz content. The source of silica is internal, and related to pressure-solution phenomena. The digenetic history is succeeded by a complex history of deformation, during which a system of veins with crack-seal texture was created, followed by hydrothermal circulations resulting mainly in precipitation of phosphates and iron hydroxides.

Cette thèse présente un modèle thermodynamique et cinétique des interactions entre un fluide et des solutions solides idéales à plusieurs pôles. La réaction entre une solution solide et la solution aqueuse résulte de la compétition entre la dissolution stoechiométrique de la solution solide initiale et la coprécipitation de la solution solide la moins soluble dans le fluide à l'instant considéré.<br />Ce modèle a été intégré au logiciel de transport réactif en milieu poreux ARCHIMEDE, puis appliqué à divers exemples. Dans le cas de solutions solides binaires, une méthode graphique a permis de déterminer les compositions des solutions solides qui précipitent, à l'aide des potentiels chimiques des pôles.<br />Le logiciel ainsi obtenu pourrait être utilisé pour modéliser notamment la diagenèse des réservoirs pétroliers argileux ou carbonatés, ou la dispersion de polluants dans le sol.

Les réservoirs constituent des ouvrages de retenue d'eau qui permettent de supporter une vaste gamme d'activités humaines telles que la production d'électricité et d'eau potable, l'irrigation, la navigation, etc. L'Est de la région boréale canadienne compte une part importante de réservoirs hydroélectriques. Le contexte actuel des changements climatiques affecte fortement ces écosystèmes et modifie ainsi l'hydrologie et la climatologie régionale via les échanges d'eau, d'énergie et de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau) avec l'atmosphère. Parmi ces échanges, l'évaporation, une composante essentielle des modèles climatique et hydrologique, demeure encore difficile à estimer à ce jour. Le bilan hydrique d'un réservoir reflète l'équilibre entre les flux massiques entrant et sortant, et permet d'anticiper l'évolution des volumes d'eau disponibles pour supporter les différents usages anthropiques. Il se compose des flux entrant et sortant, de la précipitation, de l'évaporation, qui mis ensemble peuvent faire varier le volume d'eau stocké. Via l'évaporation, le bilan d'énergie d'un réservoir est couplé au bilan hydrique, ce qui en motive son étude. Le bilan d'énergie d'un réservoir compare les flux de chaleurs advectifs, turbulents (sensible et latent) et de rayonnement net. Même si beaucoup d'études ont analysé et quantifié le bilan énergétique des plans d'eau, des lacunes demeurent. En effet, peu d'entre elles ont été effectuées sur des réservoirs hydroélectriques, de surcroît en zone boréale. De plus, lorsque disponibles, les observations ont généralement des portées spatiale et temporelle limitées. L'objectif principal de cette thèse est de pallier ces insuffisances en réalisant une analyse des échanges eau-atmosphère d'un réservoir hydroélectrique profond à plusieurs échelles spatiales (locale ~ ha; régionale ~ km²) et temporelles (journalière, mensuelle et annuelle), puis en quantifiant les bilans de masse et d'énergie en incluant les échanges advectifs liés au turbinage du réservoir. Notre démarche expérimentale s'appuie sur une campagne de mesures réalisée sur le réservoir Romaine-2 (50.68°N, 63.25°O), exploité par Hydro-Québec depuis 2015, situé à 243 m d'altitude au Québec, Canada. Le réservoir présente des profondeurs moyenne de 44 m et maximale de 101 m, une superficie maximale de 85.6 km² avec un marnage annuel maximal de 17 m. Deux tours à flux mesurant le bilan d'énergie thermique ont été déployées de juin 2018 à juin 2022, l'une sur la berge et la seconde sur un quai flottant ancré au fond du réservoir et déployé en période d'eau libre chaque année. L'objectif principal de la thèse est décliné en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif consiste à évaluer l'applicabilité sur un plan d'eau d'une méthode récente de mesure des flux turbulents à l'échelle régionale (~ km²), soit la scintillométrie à deux longueurs d'onde. Les résultats sont comparés avec ceux de la méthode de référence à l'échelle locale (~ ha), la covariance des tourbillons, réalisée à partir d'un quai flottant. La méthode de scintillométrie repose sur deux couples d'émetteurs/récepteurs installés de part et d'autre du réservoir Romaine-2 et émettant deux faisceaux situés pour l'un dans l'infrarouge et pour l'autre dans le domaine des micro-ondes, sur une distance de 1745 m et à une hauteur approximative de 10 m au-dessus de la surface du plan d'eau. Les résultats révèlent une concordance acceptable des flux de chaleur sensible, mais moins probante quant aux flux de chaleur latente qui sont surestimés par rapport à la méthode locale de covariance des tourbillons. L'empreinte de mesure plus large des scintillomètres peut expliquer ces différences en captant une plus grande hétérogénéité dans les flux. Enfin, la différence de température eau-air se révèle être un bon indicateur du régime de stabilité et par conséquent de la direction (i.e., signe) du flux de chaleur sensible, initialement mal attribué par la scintillométrie. Pour le deuxième objectif, les variabilités journalière, mensuelle et interannuelle de l'évaporation mesurée à l'échelle locale au-dessus du réservoir Romaine-2 sont quantifiées et analysées. Les résultats montrent un déphasage de 12 heures entre les flux de chaleurs sensible et latente pendant la période d'eau libre. Le flux de chaleur sensible répond avant tout à la différence de température eau-air qui est maximale la nuit et minimale l'après-midi, tandis que le flux de chaleur latente est corrélé à l'énergie apportée par le rayonnement solaire qui est maximale l'après-midi et minimale la nuit. Annuellement, l'évaporation atteint 590 mm en moyenne (minimum de 555 mm, et maximum de 656 mm), ce qui représente environ 51 % de la précipitation annuelle. 84% de l'eau est évaporée entre août et décembre, période pendant laquelle le réservoir largue intensément sa chaleur stockée dans une atmosphère plus froide. L'évaporation annuelle cumulée a dû être corrigée à la hausse par application de la fraction d'énergie perdue sur une année énergétique (aucun stockage net). Pour le troisième objectif, l'évolution temporelle du régime thermique du réservoir est caractérisée par des mesures de profil thermique de la colonne d'eau, à l'aide de deux chaînes de thermistors, et ce entre juin 2018 et juin 2022. Les données de turbinage offrent la possibilité de quantifier le bilan hydrique du réservoir ainsi que le bilan d'énergie complet associé. Les résultats montrent que les couches supérieures affichent des décalages d'amplitudes thermique et temporel avec les couches plus profondes. La variabilité interannuelle de la thermocline reste faible, mais sa profondeur et son gradient thermique varient en fonction du niveau d'eau et du turbinage. Le bilan hydrique est dominé en entrée et en sortie par les débits turbinés (61.4% du réservoir amont et 88.0% via la centrale en aval), tandis que le bilan d'énergie est principalement gouverné en entrée par le rayonnement net (62.3%) et en sortie dans les mêmes proportions par les flux de chaleurs sensible et latente (41.2%) et le débit sortant du réservoir (37.4%). Cette thèse offre donc une analyse méthodique et structurée de résultats obtenus sur une longue période de campagne en milieu éloigné, sur la base de méthodes de mesure peu usitées jusqu'alors dans une région climatique parfois hostile d'un réservoir hydroélectrique en milieu boréal côtier, la basse Côte Nord du Québec. / Reservoirs are water retention structures that support a wide range of human activities such as power generation, drinking water, irrigation, navigation, etc. The eastern part of the Canadian boreal region has a significant amount of hydroelectric reservoirs. The current context of climate change strongly affects these ecosystems and thus modifies regional hydrology and climatology through the exchange of water, energy and greenhouse gases (carbon dioxide, methane, water vapour) with the atmosphere. Among these exchanges, evaporation, an essential component of climate and hydrological models, remains difficult to estimate to this day. The water balance of a reservoir represents the balance between incoming and outgoing mass flows, and allows to anticipate the evolution of the volumes of water available to support the different anthropic uses. It is composed of lateral and upstream inflows and outlet flows (i.e. spillway and turbine), precipitation and evaporation, which together can vary the volume of water stored. Through evaporation, the energy balance of a reservoir is coupled to the water balance, which motivates its study. The energy balance of a reservoir compares advective, turbulent (sensible and latent) and net radiation heat fluxes. Although many studies have analysed and quantified the energy balance of water bodies, there are still gaps. Indeed, few of them have been carried out on hydroelectric reservoirs, especially in boreal zones. Moreover, when available, the observations generally have limited spatial and temporal scope. The main objective of this thesis is to overcome these shortcomings by analyzing the water-atmosphere exchanges of a deep hydroelectric reservoir at several spatial (local ~ ha; regional ~ km²) and temporal (daily, monthly and annual) scales, and then quantifying the mass and energy balances by including the advective exchanges related to the reservoir turbining. Our experimental approach is based on a measurement campaign carried out on the Romaine-2 reservoir (50.68°N, 63.25°W), operated by Hydro-Québec since 2015, located at 243 m altitude in Quebec, Canada. The reservoir has an average depth of 44 m and a maximum depth of 101 m, a maximum surface area of 85.6 km² with a maximum tidal range of 17 m. Two flux towers measuring the thermal energy balance were deployed from June 2018 to June 2022, one on the shore and the second on a floating raft anchored to the bottom of the reservoir and deployed during the open water period each year. The main objective of the thesis is broken down divided into three specific objectives. The first objective is to evaluate the applicability on a water body of a recent method for measuring turbulent flows on a regional scale (~ km²), i.e. two-wavelength scintillometry. The scintillometry method is based on two transmitter/receiver installed on either side of the Romaine-2 reservoir and emitting two beams, one in the infrared and the other in the microwave bands, over a distance of 1745 m and at a height of approximately 10 m above the water surface. The results show acceptable agreement for sensible heat fluxes, but less agreement for latent heat fluxes which are overestimated compared to the local eddy covariance method. The larger footprint of the scintillometers may explain these differences by capturing greater heterogeneity in the fluxes. Finally, the water-air temperature difference turns out to be a good indicator of the stability regime and therefore of the direction (i.e., sign) of the sensible heat flux, initially poorly assigned by scintillometry. For the second objective, the daily, monthly and interannual variabilities of evaporation measured at the local scale above the Romaine-2 reservoir are quantified and analysed. Results show a 12-hour phase shift between sensible and latent heat fluxes during the open water period. The sensible heat flux responds primarily to the water–air temperature difference which is maximum at night and minimum in the afternoon, while the latent heat flux is related to the energy provided by solar radiation which is maximum in the afternoon and minimum at night. Annually, evaporation averages 590 mm (minimum and maximum 555 mm and 656 mm respectively), which represents about 51% of the annual precipitation. 84% of the water is evaporated between August and December, when the reservoir intensively releases its stored heat into a colder atmosphere. The annual cumulative evaporation is then corrected upwards by considering the ratio of the energy budget over an energy year (no net storage). As a third objective, the temporal trends of the reservoir thermal regime is characterized by thermal profile measurements of the water column using two thermistors chains, between June 2018 and June 2022. The turbining data provides the opportunity to quantify the water budget of the reservoir and the associated full energy budget. Results show that there are temporal thermal amplitude lags between the surface and the deeper layers. The interannual variability of the thermocline remains small, but the depth and thermal gradient vary with water level and turbining. The water budget is dominated at the inlet and outlet by the turbined flows (61.4% from the upstream reservoir and 88.0% via the downstream power station), while the energy budget is mainly governed at the inlet by net radiation (62.3%) and at the outlet by both the sensible and latent heat fluxes (41.2%) and reservoir flow (37.4%). Ultimately, this thesis provides a methodical and structured analysis of results obtained over a long period of fieldwork in a remote environment. It is based on measurement technics that have not been widely used up to now in a hostile climatic region of a coastal boreal hydroelectric reservoir, the lower Côte Nord of Québec.

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.

Afin de satisfaire à la croissance des besoins énergétiques mondiaux, le domaine des réservoirs carbonatés très enfouis (Deeply Buried Reservoirs) constitue une cible privilégiée pour l'exploration et l'exploitation pétrolière. La préservation, dans les roches carbonatées, de propriétés pétrophysiques favorables (porosité / perméabilité) à grande profondeur peut alors conduire à l'existence d'un réservoir profondément enfoui (Deeply Buried Reservoir, DBR). Les processus chemo-mécaniques impliqués dans la diagénèse d'enfouissement des réservoirs carbonatés sont cependant encore mal contraints et il y a un manque crucial de données expérimentales sur ce sujet. Afin de mieux comprendre ces processus et de déterminer comment la porosité et la perméabilité peuvent être préservées aux profondeurs des DBR (>4000m), un dispositif expérimental novateur et le protocole associé ont été développés. Ce dispositif expérimental permet à la fois de reproduire les conditions de pression / contraintes / température des DBR (80°C, contrainte de confinement de 60 MPa et contrainte déviatorique jusqu'à 40 MPa) et de faire circuler des fluides de diverse nature dans les échantillons. Des échantillons d'un calcaire bioclastique induré (calcaire de Massangis) ont été testés via une approche multidisciplinaire : déformations mécaniques de fluage, suivi de l'évolution de la chimie du fluide de circulation et analyses pétrographiques et pétrophysiques des roches. Il a ainsi été démontré qu'il existe une relation importante entre la contrainte mécanique à laquelle est soumise la roche, les interactions thermodynamiques fluide-roche et l'évolution des propriétés pétrophysiques. Le processus principal responsable des déformations de fluage des roches carbonatées lors de l'enfouissement a été déterminé comme étant la pression-dissolution sous contraintes, processus chemo-mécanique impliqué dans la perte de porosité lors de la diagénèse de profondeur. Les expériences menées l'ont été avec différentes conditions de circulation de fluide (saturation et circuit ouvert) et différentes compositions chimiques du fluide ont été testées (eau météorique, eau météorique additionnée de phosphates et saumure). De même, les effets des hydrocarbures et de leur timing de mise en place ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis d'affirmer que, en présence de fluide météorique, la PSC se produit à l'échelle micritique, et résulte en la précipitation de calcite sur les faces libres de la calcite, provoquant le blocage de la microporosité. La préservation des macropores permet de conserver la perméabilité. L'addition de phosphates dans le fluide de circulation résulte en l'inhibition de la PSC tandis que l'augmentation de la salinité par l'ajout de NaCl accélère ce mécanisme. L'injection précoce d'huile dans les échantillons, précédant la circulation de fluide aqueux provoque l'inhibition de la PSC par un coating des grains, résultant en la préservation de la porosité. Les résultats de cette étude montrent l'importance de la chimie du fluide de circulation et du timing de mise en place des hydrocarbures dans la préservation de la porosité précoce à grande profondeur / The preservation of good petrophysical properties (high porosity / high permeability) at great depth in carbonate rocks may lead to the existence of a deeply buried reservoir (DBR), a target of interest for the oil industry. However, chemo-mechanical processes involved in the burial diagenesis of carbonate petroleum reservoirs are still poorly understood or restrained and few experimental results exists in this domain. To better understand these processes and explain how porosity and permeability can be preserved at the great depth of DBR (burial > 4000m), we developed an innovative experimental device and an associated protocol. This device allows both the simulation of high pressure/stresses/temperature conditions (80°C, 60 MPa of confining pressure and differential stress up to 40 MPa) of DBR and the circulation of different fluids in rock samples. Through a multidisciplinary approach we tested core samples of a cemented bioclastic limestone (Massangis limestone) and we analyzed creep deformations, chemistry of pore fluids, petrographical and petrophysical properties of samples. It has been demonstrated that there exists an important relationship between the mechanical stress affecting the rock, the thermodynamic of water/rock interactions and the evolution of the petrophysical properties. The main process responsible for creep deformation of carbonated rocks during burial has been determined to be Intergranular Pressure Solution (IPS) resulting in Pressure Solution Creep (PSC) which is the main process implied in the porosity reduction of a carbonate rock during deep burial. Different flow conditions (no-flow and flow-through) and chemical compositions (natural meteoric water, adjunction of phosphate ions, brine) were considered. The effects of hydrocarbon and of their timing of set-up have also been investigated. It has been discovered from our study that, in presence of meteoric fluid, PSC happens at the micritic scale, and results in the blocking of microporosity between micrites crystals due to the precipitation of calcite on free pore walls of micrites. The preservation of macropores allows the preservation of permeability. The adjunction of phosphate ions in the circulating fluid results in the inhibition of PSC while the increase of salinity by addition of NaCl leads to its acceleration. An early injection of oil prior to water circulation causes the inhibition of PSC by the coating of the grains, leading to the preservation of porosity. The dataset obtained from this study show the importance of fluid chemistry and of the timing of oil charging in a reservoir in the preservation of early porosity at great depth

La surface terrestre est affectée par de nombreux processus locaux tels que des événements volcaniques, des glissements de terrain ou des tremblements de terre. Parallèlement à ces processus naturels, les activités anthropiques, y compris l’extraction et le stockage des ressources profondes (par exemple, les minéraux ou les hydrocarbures) façonnent la Terre à différentes échelles spatiales et temporelles. Ces mécanismes produisent une déformation du sol qui peut être détectée par divers instruments et techniques géodésiques tel que le GNSS, l’InSAR, les inclinomètres. Le but de cette thèse est de développer un outil numérique permettant l’inversion conjointe de multiples données géodésiques associées à la déformation de la plaque ou au changement de contrainte volumique en profondeur. Quatre types d’applications sont ciblés: la déformation intersismiques des plaques, la déformation des volcans, l’exploitation minière profonde et l’extraction de pétrole et de gaz. Différentes complexités du modèle inverse ont été considérées: le niveau I considère un seul type de données géodésiques avec un processus indépendant du temps. Une application est réalisée avec l’inversion des données GPS à travers le sud de la Californie pour déterminer les variations latérales de la rigidité lithosphérique (Furst et al., 2017). Le niveau II représente également un seul type de données géodésiques mais avec un processus dépendant du temps. La détermination conjointe de l’historique des changements de contrainte et des paramètres de dérive d’un réseau d’inclinomètres est étudiée à l’aide d’un exemple synthétique (Furst et al., soumis). Le niveau III considère différents types de données géodésiques et un processus dépendant du temps. Un réseau fictif combinant des données GNSS, InSAR, inclinométriques et de nivellement est défini pour calculer le changement de volume dépendant du temps d’une source profonde de déformation. Une méthodologie pour implémenter ces différents niveaux de complexité est développée dans un seul logiciel. Parce que le problème inverse peut être mal posé, la minimisation de la fonctionnelle peut produire plusieurs minima. Par conséquent, un algorithme d’optimisation global est utilisé (Mohammadi and Saïac, 2003). Le problème direct est traité en utilisant un ensemble de modèles élastiques numériques et analytiques permettant de modéliser les processus de déformation en profondeur. Grâce à ces développements numériques, des avancées concernant les problèmes inverses en géodésie devraient être possibles telle que l’inversion jointe de différents types de données géodésiques acquises lors de la surveillance des volcans. Dans cette perspective, la possibilité de déterminer par inversion les paramètres de dérive des inclinomètres permettrait une détermination précise des sources de déformation profondes. En outre, la méthodologie développée peut être utilisée pour une surveillance précise de la déformation des réservoirs de pétrole et de gaz. / The Earth’s surface is affected by numerous local processes like volcanic events, landslides or earthquakes. Along with these natural processes, anthropogenic activities including extraction and storage of deep resources (e.g. minerals, hydrocarbons) shape the Earth at different space and time scales. These mechanisms produce ground deformation that can be detected by various geodetic instruments like GNSS, InSAR, tiltmeters, for example. The purpose of the thesis is to develop a numerical tool to provide the joint inversion of multiple geodetic data associated to plate deformation or volume strain change at depth. Four kinds of applications are targeted: interseismic plate deformation, volcano deformation, deep mining, and oil & gas extraction. Different inverse model complexities were considered: the I-level considers a single type of geodetic data with a time independent process. An application is made with inverting GPS data across southern California to determine the lateral variations of lithospheric rigidity (Furst et al., 2017). The II-level also accounts for a single type of geodetic data but with a time-dependent process. The joint determination of strain change history and the drift parameters of a tiltmeter network is studied through a synthetic example (Furst et al., submitted). The III-level considers different types of geodetic data and a timedependent process. A fictitious network made by GNSS, InSAR, tiltmeters and levelling surveys is defined to compute the time dependent volume change of a deep source of strain. We develop a methodology to implement these different levels of complexity in a single software. Because the inverse problem is possibly ill-posed, the functional to minimize may display several minima. Therefore, a global optimization algorithm is used (Mohammadi and Saïac, 2003). The forward part of the problem is treated by using a collection of numerical and analytical elastic models allowing to model the deformation processes at depth. Thanks to these numerical developments, new advances for inverse geodetic problems should be possible like the joint inversion of various types of geodetic data acquired for volcano monitoring. In this perspective, the possibility to determine by inverse problem the tiltmeter drift parameters should allow for a precise determination of deep strain sources. Also, the developed methodology can be used for an accurate monitoring of oil & gas reservoir deformation.

Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique. / Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique.

Les bandes de déformation sont des structures géologiques se mettant en place dans les matériels granulaires présentant une forte porosité (>15%). Ces structures peuvent être compactantes ou dilatantes et peuvent présenter une composante cisaillante. À l’échelle microscopique, il est possible d’observer une réorientation des grains, une compaction ou un cisaillement intense peut entrainer la fracturation de ces derniers (cataclase) pour former une fine zone déformée modifiant ainsi la porosité et la perméabilité de la roche. Ces bandes ont un impact sur la circulation des fluides en formant des barrières ou des drains dans le réservoir. La formation de ces structures est étroitement liée à la tectonique et aux paramètres sédimentologiques du matériel hôte. Comprendre et pouvoir prédire le mode de mise en place, les orientations et la distribution de ces bandes est l’objectif principal de cette thèse.Dans cette étude nous avons analysé un site de bandes de déformation observé dans le bassin de Tremp, au sein de la formation d’Aren, dans la zone Central Sud-Pyrénéenne. Nous avons pu définir la nature de ces structures grâce à des analyses macro- et micro-structurales couplées à une étude d’anisotropie magnétique permettant de déduire la direction de raccourcissement à l’origine de la mise en place de ces bandes. Deux principaux types de bandes cataclastiques sont alors mis en évidence: (1) des bandes de compaction pures, perpendiculaires au raccourcissement et (2) des bandes de compaction à composante cisaillante, obliques à cette même direction de raccourcissement.En comparaison avec le calendrier tectonique de la région et des données d’enfouissement relatif dans le temps de la formation étudiée. Nous avons fait l’hypothèse que ces deux familles de bandes sont apparues à faible enfouissement (< 1 km de profondeur), soit peu de temps après le dépôt et associées à la croissance du pli du Sant Corneli-Boixols. De telles structures ne sont pas communes pour un enfouissement superficiel et le faciès calcarénitique est mis en cause pour expliquer leurs apparitions.La mise en place de simulations analytiques basées sur des résultats d’expérimentations géomécaniques ont ensuite permis de contraindre le régime tectonique, l’orientation et les valeurs de ces contraintes nécessaires à la formation de ces deux types de bandes par rapport à l’enfouissement et la croissance du chevauchement. Les valeurs de contraintes attendues sont ici très faibles dans le cas d’une déformation très précoce.Enfin, nous avons testé ces observations et nos hypothèses à des modélisations numériques dans lesquelles nous avons analysé l’impact de la croissance d’un chevauchement et d’un pli de propagation de rampe. La distribution des contraintes et les potentielles bandes de déformation mises en place au sein d’un réservoir poreux situé en avant de ce pli ont été étudiées. Nous avons alors montré que nos hypothèses d’apparition superficielles de bandes de déformation étaient dépendantes de la position des enveloppes de ruptures (elles-mêmes dépendantes de la lithologie de la roche). Pour expliquer la mise en place des bandes étudiée dans ce mémoire, une résistance mécanique très faible de la roche est nécessaire pour permettre de former des bandes à moins d’un kilomètre de profondeur. / Deformation bands are geological structures that occur in porous and granular material presenting a high porosity (>15%). These structures can be identified as compactive or dilatant, a shear component is also often observed. At the microscopic scale, it is possible to observe a grain rearrangement and an intense compaction and or shearing can lead to grain crushing (known as cataclasis), to form a thin deform zone that will modify the porosity and permeability of the rock. Deformation bands have a non-negligible impact on fluid flow, creating a barrier or a drain in the potential reservoir. The formation of such structures is mainly linked to the tectonic activity but also to the facies and other sedimentological parameters of the host rock. The understanding and the prediction of the occurrence and distribution of the bands is the main objective of this thesis.In this study we analyzed a deformation band site found in the Tremp basin, in the Aren formation localized in the South Central Pyrenean Zone. We defined the nature of these structures with macro and microstructural analysis and by adding a study of the magnetic anisotropy to constrain the shortening direction responsible to the band formation. We evidence two major types of bands showing different orientations and behavior: (1) Pure compaction bands (PCB), perpendicular to the shortening and (2) Shear enhanced compaction bands (SECB), oblique to the same shortening.In comparison with tectonic schedule in the studied area and time vs. burial data of the formation, we deducted that both types of bands took place at a shallow burial (<1km depth), which means short times after deposition. This localized deformation, showing mainly cataclasis, is associated to the growth of the Sant Corneli-Boixols fold and thrust belt. Such structures are not common at a shallow depth and we propose that the calcarenite facies of the host rock is the key factor to explain the band occurrence.Thereafter, we made analytical simulations based on geomechanical experimentations results that allowed us to constrain the stress state and orientations needed to create these structure and to determine the timing of formation compared to the burial of the layers during the growth of the Boixols thrust. The stresses magnitudes are expected to be really low in the case of an early deformation.Finally, we tested and compared our observations and hypothesis to numerical modeling where we analyzed the impact of the growth of a fold and thrust belt on the stress state and orientations and the analysis of potential deformation bands occurrence. The stress distribution and the potential occurrence of deformation bands in a porous reservoir presenting different characteristics and located in front of this fold were studied.With the modelizations results, we exposed that our hypothesis of shallow deformation bands are dependent from the position of failure envelopes (that are dependent on the rock lithology). To explain the band formation we studied in this thesis, a weak mechanical strength of the host rock is needed to form deformation bands at less than a depth of one kilometer. The pure compaction bands are associated to a potentially early layer-parallel shortening (LPS).