Les fractures dans le sous-sol de la Terre jouent un rôle important dans nos systèmes énergétiques, qu’il s’agisse de fournir des voies pour extraire les combustibles fossiles de la roche profonde ou de soutenir les technologies vertes émergentes comme le stockage du carbone et l’amélioration de la chaleur géothermique, mais prédire les propriétés de ces fractures reste difficile. Une nouvelle méthode développée par une équipe de scientifiques dirigée par Penn State pourrait brosser un tableau plus clair des fractures lorsqu’elles s’ouvrent et se ferment en temps réel.
« La dynamique des fractures est une question de longue date en sismologie, et la façon dont les fractures s’ouvrent et se ferment est essentielle pour comprendre cela », a déclaré Tieyuan Zhu, professeur agrégé de géosciences à Penn State. « Nous avons développé une nouvelle technique qui extrait des informations en temps réel sur l’évolution des fractures, et cette image peut nous donner une meilleure compréhension physique que celle que nous avons eue. »
Les scientifiques ont puisé dans les données des réseaux de capteurs sismiques dans des puits autour d’un site d’hydrofracturation, ou de fracturation hydraulique, dans le Wyoming. La fracturation consiste à injecter de l’eau souterraine à haute pression pour ouvrir des fissures et créer des voies d’écoulement, souvent utilisées pour extraire le pétrole et le gaz naturel piégés dans la roche.
Un réseau envoie un signal sismique qui se propage comme des ondes sonores à travers la roche vers des réseaux de capteurs de pression placés dans des puits à proximité. Les appareils enregistrent des données de base et des données de surveillance, qui peuvent montrer les changements de vitesse sismique qui se produisent pendant la fracturation, ont déclaré les scientifiques.
« Lorsque vous ouvrez une fracture, cela va réduire la vitesse sismique », a déclaré Zhu. « À l’origine, vous avez un morceau de roche, mais lorsque vous ouvrez une fracture, vous avez créé un espace poreux et vous avez quelque chose remplissant cet espace comme de l’eau ou de l’air qui va réduire la vitesse et rendre vos vagues un peu plus lentes. »
La nouvelle méthode analytique a permis aux chercheurs de visualiser les changements dans le sous-sol avec une résolution spatio-temporelle plus élevée que ce qui était possible avec les méthodes sismiques précédentes utilisées pour caractériser les fractures, ont déclaré les scientifiques.
Leurs conclusions, publiées dans la revue Lettres de recherche géophysiquesuggèrent un lien clair entre les changements de vitesse sismique enregistrés par les réseaux et les changements physiques de la roche.
« La motivation de cette étude était de voir si nous pouvions utiliser ces données sismiques pour distinguer quand les fractures s’ouvrent et se ferment », a déclaré Zhu. « Nous avons découvert que notre algorithme peut vraiment améliorer la résolution de ce que j’appelle cette image. Et avec cette meilleure image, nous pouvons mieux comprendre la dynamique des fractures. »
Les scientifiques ont observé une petite réduction de vitesse près du début de la fracturation à mesure que la pression augmentait et que des fractures se formaient probablement dans la roche. Cependant, ils ont constaté de manière inattendue une réduction de vitesse plus importante plus tard, après que les fractures se soient déjà remplies de fluide de fracturation.
Aidés par la modélisation de la physique des roches, les scientifiques ont déterminé que les bulles de gaz piégées dans un agent de biorestauration ajouté vers la fin de la fracturation étaient probablement responsables de la plus grande baisse. Le composé a été ajouté pour traiter la contamination du sol sur le site.
« Beaucoup de gens ont dit que lorsque vous ouvrez une fracture, vous voyez probablement un très grand changement de vitesse, puis lorsque vous la fermez, vous verrez une reprise de vitesse », a déclaré Zhu. « Mais ce que nous voyons, c’est que lorsque vous ouvrez la fracture, cela provoque un changement plus petit que prévu, puis une réduction de vitesse plus importante et significative est causée par les bulles de gaz. »
Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, Zhu a déclaré que la méthode pourrait un jour aider à fournir des signes avant-coureurs d’une fuite potentielle de panache de dioxyde de carbone provenant de projets de séquestration du carbone ou aider à augmenter le débit d’eau entre les puits d’injection et de production dans les systèmes géothermiques améliorés.
« Penn State a beaucoup de capacités pour faire des expériences en laboratoire avec des fractures – nous avons de grands chercheurs ici », a déclaré Zhu. « Notre travail porte vraiment sur l’échelle du terrain. Il y a un grand écart entre le laboratoire et le terrain et je pense que notre travail ici aide à combler cet écart. »
Plus d’information:
Xuejian Liu et al, Comprendre la dynamique de l’évolution des fractures souterraines à l’aide de l’inversion de forme d’onde complète en accéléré des données de surveillance sismique à source active continue, Lettres de recherche géophysique (2023). DOI : 10.1029/2022GL101739