Etude expérimentale et théorique des mécanismes gouvernant l'initiation et la propagation contrôlées de fractures dans le granite de Vire par injection quasi-statique d'eau
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Rock fracture controlled growth is fundamental for several industries, among which dimension stone, civil engineering and oil industries. Unfortunately, controlled fracture growth is not fully achieved yet and still requires some investigation. Controlled fracture growth is related to fracturing techniques; mainly mining and hydraulic fracturing that can be considered as techniques of crack initiation and propagation from a borehole using fluid pressure loading. Consequently, a theoretical and experimental analysis of the mechanisms of crack initiation and propagation from a fluid pressurized borehole has been achieved. The analysis involved a review of previous work, conception and completion of a laboratory hydraulic fracturing testing program on granite blocks with specific instrumentation and a theoretical study of crack curvature involving anisotropy. The main experimental results are that cracks initiation and propagation around a borehole tend to be more symmetric with low injection rate, but also less simultaneous along the borehole's length. Cracks orientation seems to slightly deviate from expected plane of symmetry. With constant injection rate, cracks propagation occurs at constant or slightly increasing pressure. Crack speed control can be achieved using fine injection rate control. For a 12 mm borehole diameter with 4 mm grooves, the critical pressure lies between 7, 3 and 9,9 MPa. Maximum crack opening displacement measured during each test in several points, including points located inside the block, is in the order of a few tens of micrometers. From a theoretical standpoint, fracture curvature calculus doesn't exactly lead to the observed deviations, which are indeed very small. Nevertheless, anisotropic calculi show some sensibility to the variations of orthotropic model parameters, in the order of the observed deviations. Therefore the difference between anisotropic calculi results and observed deviations may not be significant.
Abstract FR:
La maîtrise de la fracturation artificielle des roches est un enjeu économique essentiel pour le secteur des roches ornementales, les travaux publics et l'industrie pétrolière. Pour améliorer cette maîtrise, une étude des mécanismes de fracturation des roches par les techniques courantes de minage et de fracturation hydraulique est nécessaire. Ces techniques consistant à mettre en pression un fluide dans un forage éventuellement préfissuré, une analyse expérimentale ct théorique des mécanismes gouvernant l'initiation ct la propagation de fractures radiales autour d'un forage par injection contrôlée d'un fluide sous pression a donc été réalisée. Cette analyse procède par une revue bibliographique, par la mise au point et la réalisation d'essais de fracturation hydraulique contrôlée en laboratoire et par une étude théorique de l'influence d'un défaut de symétrie puis de l'anisotropie sur l'orientation des fractures. Malgré les symétries géométriques et de chargement des blocs, seul un faible débit d'injection a permis d'initier ct de propager une fracturation symétrique par rapport au forage. Un débit plus élevé a favorisé le développement uniforme d'une fracture selon l'axe du forage. Les fractures sont droites sur les faces des blocs, mais dévient légèrement du plan de symétrie censé les contenir. A débit fixé, les fractures se propagent à pression constante ou croissante. Le contrôle du débit d'injection a permis de maîtriser leur vitesse de propagation. La pression critique a été mesurée, ainsi que l'ouverture maximale de fracture à l'intérieur et en surface des blocs. L'étude théorique montre que ni un défaut de symétrie, ni la faible anisotropie mesurée n'expliquent, seuls, les légères déviations de fractures observées. Cependant, les résultats des calculs orthotropes ont une sensibilité aux variations des paramètres mécaniques de l'ordre des déviations observées. L'écart entre ces résultats et les déviations observées ne serait donc pas significatif.