Fracturation naturelle d'un massif rocheux. Diaclases et couloirs de fracturation

Fractography in Sedimentary Rocks: Tension Joints Sets and Fracture Swarms

Institut Français du Pétrole

Auteur de correspondance : claude. putot@ifp. fr

Résumé

La caractérisation de la fracturation des réservoirs passe par l'estimation d'écartements typiques entre fractures constituées en mode d'ouverture. L'échelle dépend de la configuration de chargement et des propriétés mécaniques supposées de la roche : résistance à la rupture, énergie de décohésion, etc. La présente étude porte sur une morphologie de fractures particulière : les couloirs de fracturation. Ce sont des zones de forte densité de fractures apparaissant régulièrement dans les bancs épais et compacts. L'étude sur les couloirs de fracturation se situe dans le prolongement d'une analyse récente concernant les diaclases dont on a recherché l'espacement moyen. On a défini dans les deux cas, pour la roche, les paramètres mécaniques pertinents permettant de fixer l'échelle des distances entre fractures. Dans le cas des diaclases, la fracturation se présente de manière assez homogène, l'échelle étant dictée en grande partie par l'épaisseur des bancs, quoique influencée de manière secondaire par la nature de la roche et le chargement au loin. Dans le cas de la fracturation interne à un couloir, les rôles respectifs d'une surface libre préexistante et de concentrateurs de contraintes sont invoqués, le rôle des bancs devenant accessoire : en effet, cette typologie peut même exister dans les roches ignées. Une diaclase majeure, présentant une certaine persistance vis-à-vis des bancs, peut jouer le rôle de surface libre. Dans ces conditions, la morphologie des fractures montre dès lors une allure plus hétérogène. Cette condition aux limites particulière induit, transversalement à la surface libre, un gradient d'étatsse traduisant par une certaine distribution de longueurs de fractures et d'écartements. L'échelle caractéristique des fractures et le rapport de forme/longueur sur écartement ont été calculés en fonction du confinement par un modèle explicatif simple. On tend, à la surface libre, vers des fractures continues et d'écartement donné. De manière duale, en marge du couloir, on note une limite du facteur de forme, limite déterminée par les caractéristiques de la roche. Afin de déterminer les caractéristiques de ces structures (élancements, espacements, etc. ), nous avons fait appel à des modèles de fractures dont la géométrie restitue localement celle des couloirs. De plus, un facteur d'échelle a été détecté. Les modèles se rangent en deux catégories : ceux qui, outre le paramètre de ténacité de la roche, mettent en lumière le rôle du module élastique de la roche, et ceux faisant intervenir une limite à la rupture. Les premiers donnent des élancements élevés (fractures rapprochées) tandis que les seconds nous semblent beaucoup plus pertinents dans la description des rapports de forme (plus massifs). Ces modèles ont permis de conjecturer l'image des couloirs et de discuter le réalisme, du point de vue géologique, du mécanisme de formation établi ici.

Abstract

In order to characterize fracturation in reservoirs, one must estimate typical opening-mode fracture spacing, whose magnitude depends on the loading configuration and the mechanical parameters for the rock, primarily strength and cohesion energy. This study focuses on a specific fracture typology known as fracture swarms, which consist of heavily fractured rocks that regularly appear in thick compact layers. This analysis of fracture swarms is the continuation of a recent study of tension joint sets. In both cases we have defined the mechanical parameters necessary to determine typical fracture spacing. In the case of regular joint spacing, the fracturation is rather homogeneous, and the typical length scale depends primarily on the thickness of the layers, although it also depends on the type of rock and on remote loading. In the case of fracture swarms, the roles of both a preexisting free surface and of some form of stress concentrator are discussed. In this case, the bed thickness plays a subordinate part, and, indeed, this kind of fractography can exist in igneous rocks. A major joint that has propagated across beds could act as a free surface. When this is the case, the morphology of fractures is more heterogeneous. This kind of boundary condition generates, perpendicular to the free surface, a state gradient that expresses itself as a distribution of fracture lengths and spacings. Characteristic fracture scaling and aspect ratios (length/spacing) have been calculated as a function of confinement using a simple generic model. The asymptotic behavior near the free surface is a prescribed spacing and indeterminate fracture length. However, at the limit of the outcrop, a clearly defined aspect ratio has been found with an indeterminate spacing. These limits are determined as well defined functions of the mechanical properties of rock. The determination of aspect ratios and spacing has been carried out with the help of fracture models that mimic what one expects to see generated at a local scale. Moreover, scaling factors have been inferred. Models have been classified in two categories, those that, in addition to the toughness parameter, consider the elastic modulus of rock as the pertinent parameter and those for which the key is, rather, some measure of strength. The former, by some kind of predominant buckling mechanism, lead to underestimated spacing values, whereas the latter seem to better express both aspect ratios and the order of magnitude of the spacing. These models have allowed us to conjecture a picture of the distribution of fracture swarms and to discuss their significance in the formation process, from the geologist's standpoint.